Nutzung der Umgebungsenergie für stromsparende Anwendungen

Es sind Boomzeiten für Anwendungen zur Energiegewinnung. Viel Aufmerksamkeit wurde den Investitionen der US-Regierung in saubere Energie und der Privatwirtschaft in Höhe von 400 Milliarden USD „in die Herstellung sauberer Energie, Elektrofahrzeuge und Batterien sowie in die saubere Stromerzeugung“ⁱ gewidmet. Weniger bekannt sind die aufkeimenden Märkte für Anwendungen zur Energiegewinnung (Energy Harvesting) mit geringem Stromverbrauch für IoT, Wearables und biomedizinische Geräte wie Implantate.ⁱⁱ

Die Nachfrage nach hocheffizienten, zuverlässigen und kompakten Energiespeicheranwendungen verdeutlicht das Potenzial der Nutzung von Umgebungsenergie als Ersatz oder Ergänzung von wiederaufladbaren Batterien für Geräte mit geringem Stromverbrauch. Solche Energy-Harvesting-Anwendungen versprechen einen potenziell unbegrenzten Betrieb, ohne dass Batterien ausgetauscht werden müssen, was den Umweltmüll drastisch reduzieren kann.

Die gewonnene Solarenergie kann tragbare Geräte, Kommunikationsgeräte, abgelegene oder schwer zugängliche Sensoren und eine Vielzahl von intelligenten Geräten im Einzelhandel, in der Industrie und in Wohngebieten mit Strom versorgen. Aber auch andere Energiequellen aus der Umgebung wie Temperaturschwankungen, Bewegungen, Vibrationen, Radiowellen und akustische Geräusche können genutzt werden.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Größe und Energiemanagement sind entscheidende Herausforderungen bei der Entwicklung mobiler, entfernter und unbeaufsichtigter Geräte. In vielen Fällen ist auch die drahtlose Anbindung eine Herausforderung. Die kontinuierlichen Fortschritte bei der Integration und Miniaturisierung der erforderlichen elektronischen Komponenten ermöglichen es jedoch, den Platzbedarf der Geräte zu verringern und die Kosten zu optimieren.

Die Identifizierung geeigneter Energiequellen und die Optimierung des Stromverbrauchs sind entscheidende Faktoren für die Entwicklung erfolgreicher Anwendungen. Die Formfaktoren und die Ästhetik variieren stark, je nach der vorgesehenen Umgebung und Verwendung.

Um auf dem Markt erfolgreich zu sein, müssen Endgeräte kosmetisch ansprechend sein und hohen Anforderungen an die Benutzerfreundlichkeit genügen. Industrielle und dezentrale Geräte sind weniger von Ästhetik und verbraucherfreundlicher Bedienbarkeit betroffen, müssen aber wahrscheinlich ein höheres Maß an Funktionalität und Interoperabilität aufweisen.

Die Umsetzung eines stromsparenden Designs hängt hauptsächlich davon ab, die richtigen Komponenten und Software zu finden, um den Energieverbrauch zu minimieren. Es kann auch von der Maximierung der Energiegewinnung aus der Energiequelle abhängen. Im Idealfall können die Anwendungen mehr Energie gewinnen als verbraucht wird, um eine vollständige Energieautonomie zu erreichen.

Hochleistungs-PMIC für das Energy Harvesting

Nexperia bietet einen integrierten Schaltkreis für das Energiemanagement (PMIC) an, der entwickelt wurde, um die Umgebungsenergie kontinuierlich zu nutzen. Der NEH2000BY (Abbildung 1) geht einen typischen Kompromiss beim Energy Harvesting ein, indem er eine hohe Performance der Geräte ohne Kompromisse bei der Energieeffizienz ermöglicht.

Abbildung 1: Der PMIC NEH2000BY von Nexperia ist für die Nutzung von Umgebungsenergie für Geräte mit geringem Stromverbrauch optimiert. (Bildquelle: Nexperia)

Der PMIC von Nexperia verwendet einen adaptiven Algorithmus für die Nachführung des maximalen Leistungspunktes (MPPT, Maximum Power Point Tracking), um die Energieübertragung von den Umgebungsquellen zu optimieren und eine hohe Umwandlung zu gewährleisten. Der MPPT-Algorithmus des NEH2000BY arbeitet autonom und ohne Vorprogrammierung und erreicht einen optimalen durchschnittlichen Umwandlungswirkungsgrad von bis zu 80 % und passt sich innerhalb von 0,5 Sekunden an.

MPPT ist Entwicklern, die an der Optimierung von Solarzellen und Windturbinen arbeiten oder diese erforschen, zweifelsohne bekannt, aber es kann auch für Anwendungen verwendet werden, die andere Energiequellen aus der Umgebung nutzen, wie z. B. Wärme-, Vibrations- und Funksignale. MPPT überwacht kontinuierlich Spannung und Strom, um die optimale Leistung zu ermitteln, und passt die Last an, um die Leistung an die Anforderungen der Anwendung anzupassen.

Mit einem „Hill-Climbing“-Algorithmus passt sich der NEH2000BY an wechselnde Umgebungen an und gewährleistet unabhängig von Energieschwankungen maximale Effizienz. Obwohl der PMIC für Photovoltaik-Anwendungen optimiert ist, kann er mit einer Vielzahl von Harvester-Geräten zusammenarbeiten, die eine Speicherelementspannung im Bereich von 2,5 V bis 4,5 V verwenden, und ist mit verschiedenen Arten von wiederaufladbaren Batterien sowie mit batterielosen Designs kompatibel.

Der PMIC von Nexperia ermöglicht die Entwicklung von Anwendungen, die einen integrierten, hocheffizienten DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch nutzen, wodurch ein zusätzlicher Wandler und eine sperrige externe Induktivität überflüssig werden. Er benötigt nur einen externen Kondensator, was das Leiterplattenlayout vereinfacht und die Materialliste der Anwendung reduziert.

Der PMIC ist in einem 3 mm x 3 mm großen, thermisch optimierten, sehr dünnen, flachen Kunststoffgehäuse (HWQFN) erhältlich und benötigt laut Nexperia eine Gesamtmontagefläche von nur 12 mm. Dies ermöglicht Energy-Harvesting-Modelle, die bis zu 20 Mal kleiner sind als bisherige Lösungen.

Referenzdesign-Plattform

Produktentwickler können mit einer Referenzdesign-Plattform, die aus der Zusammenarbeit zwischen Nexperia und Ambiq hervorgegangen ist, Prototypen für Energy-Harvesting-Anwendungen entwickeln und testen.

Das harvestKIT AMA3BHARV1 (Abbildung 2) von Ambiq kombiniert ein Click-Modul, das auf dem PMIC NEH2000BY von Nexperia basiert, mit dem Apollo3-Blue-SoC von Ambiq und stromsparenden 1,8V-Click-Sensormodulen von TDK InvenSense und Bosch Sensortec.

Abbildung 2: Das harvestKit AMA3BHARV1 von Ambiq enthält ein Click-Modul mit Nexperias Energy-Harvesting-PMIC sowie Bewegungs- und Umgebungssensormodule. (Bildquelle: Ambiq)

Das harvestKIT bietet Energy Harvesting von Nexperia mit einem MEMS-Bewegungssensor (MEMS: MikroElektroMechanisches System) und einem Umgebungssensor. Der Apollo3-Blue-SoC bietet Bluetooth Low Energy (BLE) 5. Ein zusätzlicher Erweiterungssockel kann weitere Sensoren und Vernetzungsmodule wie Wi-Fi oder ein Display aufnehmen.

Die Komponenten eignen sich für Anwendungen, bei denen die Energiegewinnung mit geringem Stromverbrauch mit der Überwachung von Temperatur, Feuchtigkeit, Bewegung und Druck kombiniert wird.

Entwickler können das Referenzdesign nutzen, um eine Reihe von Prototypen zu entwickeln, die die Batterielebensdauer durch Energiegewinnung verlängern oder durch den Einbau von Superkondensatoren oder anderen Energiespeicherkomponenten die Verwendung von Batterien überflüssig machen können.

Der Apollo3-Blue-SoC nutzt die von Ambiq patentierte Subthreshold Power Optimized Technology (SPOT), um die gewonnene Energie zu verwalten und Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch effizient zu verarbeiten. Die Firmware der Referenzplattform sendet Sensor-Rohdaten an eine Web-App, die in einem Chromium-Webbrowser auf einem Telefon, Tablet oder PC läuft.

Fazit

Der PMIC von Nexperia bietet eine attraktive Designoption für energieeffiziente Anwendungen der nächsten Generation. Durch die Nutzung von Solarenergie und die Integration fortschrittlicher Sensormodule können innovative Lösungen entwickelt werden, die die Lebensdauer von Batterien erheblich verlängern und sie möglicherweise sogar ganz überflüssig machen. Nexperias Zusammenarbeit mit Ambiq bietet mit dem harvestKIT-Referenzdesign AMA3BHARV1 eine Prototyping- und Testplattform für hochmoderne, stromsparende Management- und Verarbeitungsanwendungen, die dem wachsenden Bedarf an nachhaltigen und effizienten elektronischen Geräten gerecht werden.

[i] https://www.whitehouse.gov/briefing-room/blog/2024/07/01/building-a-thriving-clean-energy-economy-in-2023-and-beyond-a-six-month-update/

[ii]https://link.springer.com/article/10.1007/s13246-024-01382-4