Ultra-Low-Power-Technologien für batterielose IoT-Sensorik

| Autor / Redakteur: Bruno Damien * / Sebastian Gerstl

Bild 1: Die RSL10-Solarzellen-Multi-Sensor-Plattform mit angeschlossenem Solarpanel überträgt Sensor­daten über Bluetooth Low Energy
Bild 1: Die RSL10-Solarzellen-Multi-Sensor-Plattform mit angeschlossenem Solarpanel überträgt Sensor­daten über Bluetooth Low Energy (Bild: ON Semiconductor)

Das Internet der Dinge benötigt nach Möglichkeit batterielose und wartungsfreie Endpunkte, um sein volles Potenzial auszuschöpfen und intelligentere vernetzte Anwendungen zu ermöglichen.

Batterielose, „smarte“ Sensoren, die sich per Energy Harvesting aus der Umgebung mit Energie versorgen, sind seit einiger Zeit verfügbar. Aktuelle Entwicklungen bei extrem stromsparenden ICs, Sensoren und Funktechniken wie Bluetooth Low Energy (BLE) vereinfachen den Aufbau von batterielosen IoT-Knoten mit kompaktem Formfaktor. Betrachten wir einen intelligenten Sensor, der in regelmäßigen Abständen Messwerte erfasst und überträgt. Wenn er per Energy Harvesting genügend Energie für diesen Aktivitätszyklus generiert, ist ein langfristiger batterieloser Betrieb möglich.

Der Energiebedarf hängt von der Systemleistung und der Zeitdauer ab, die zum Erfassen und Übertragen der Daten benötigt wird. Bluetooth Low Energy und ähnliche Protokolle wie ZigBee Green Power sind dafür optimiert, dass sie eine kurze Frame-Dauer und geringe Sendeleistung bei ausreichender Sicherheit erzielen. Mit jedem dieser Protokolle ist es möglich, einen vollständigen Daten-Frame in ungefähr 10 ms oder weniger zu übertragen.

Wenn das Sensorknoten-Subsystem mit z. B. 10 mA bei 1 V zuverlässig arbeitet, lässt sich daraus das erforderliche Energiebudget berechnen: 1 V x 10 mA x 10 ms = 100 µJ pro Vorgang. Das Energy-Harvesting-Subsystem muss diese Energiemenge zuverlässig generieren und für jeden Aktivitätszyklus bereitstellen können. Liegt dieses Aktivitätsintervall zwischen 1 und 10 s, muss die Harvester-Quelle sehr effizient arbeiten. Das ist anspruchsvoll, aber nicht unmöglich. So können Standard-Solarzellen mit der Größe 6,5 oder 13 cm2 und einer Umwandlungseffizienz von nur 4% diese Anforderung bewältigen.

Voraussetzung ist, dass bereits das Systemdesign Sensoren mit extrem niedrigem Stromverbrauch vorsieht. Sensoren, die auf neuester MEMS-Technologie basieren, erfüllen diese Anforderung durch eine Kombination aus fortschrittlichem mechanischen Design und hoher Funktionsdichte. Beispiele dafür sind BME280 und BMA400 von Bosch: Der Umgebungssensor BME280 vereint Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren in einem All-in-One-Baustein mit geringem Stromverbrauch. Darüber hinaus ist der BMA400 der branchenweit erste Drei-Achsen-Beschleunigungssensor, der einen extrem stromsparenden Betrieb ohne Leistungseinbußen ermöglicht. Durch die Kombination solcher Bausteine ist es möglich, eine äußerst stromsparende Multi-Sensor-Plattform mit zusätzlicher Trägheitssensorik für Anwendungen wie Klimatisierung, Prozessüberwachung, Produktverfolgung oder Einbruchserkennung zu entwickeln.

Komplettpaket: integriert in ein System-in-Package

Um die Anforderungen der Datenverarbeitungs- und Funk-Subsysteme zu erfüllen, hat ON Semiconductor mit dem RSL10 SIP (System-in-Package) eine Kombination aus Ultra-Low-Power-Technologien zusammengefasst. Der Baustein enthält einen Funk-SoC, eine integrierte Antenne, integriertes Energie-Management und alle erforderlichen passiven Bauelemente. Der Energieverbrauch ist mit 62,5 nW im Deep-Sleep-Modus und 7 mW im Empfangsmodus extrem niedrig.

Der SiP-Baustein arbeitet ab einer Versorgungsspannung von 1,1 V und verfügt über integriertes Flash und RAM. Gleichzeitig unterstützt er Firmware-Over-the-Air-(FOTA-)Updates mit Speicherschutz und ist nach weltweiten Standards zertifiziert, einschließlich CE-/EU- und FCC-/US-Zulassung. ON Semiconductor hat sein RSL10-SiP mit den stromsparenden Sensoren BME280 und BMA400 sowie dem digitalen Temperatursensor mit Temperatur-Wächter NCT203 zur Solarzellen-Multi-Sensor-Plattform vereint (Bild 1). Dieser batterielose Sensorknoten verbindet sich über Bluetooth Low Energy mit einem Hub, etwa einem Gateway oder Smartphone. Quellcode, Schaltpläne und Gerber-Dateien liefert der Anbieter mit, so dass eine Anpassung an die eigene Applikation möglich ist.

Die Ultra-Low-Power-Komponenten der RSL10-Multi-Sensor-Plattform ermöglichen das Erfassen und Übertragen von Umgebungs- und Trägheitsdaten innerhalb von weniger als 10 ms bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch von etwa 10 mA. Aus der Umgebung lässt sich in der Regel nur wenig Energie per Energy Harvesting gewinnen. Daher muss das System so ausgelegt sein, dass es vor dem nächsten Aktivitätszyklus genügend Zeit für die „Energie-Ernte“ hat. Die Zeiten für den Arbeitszyklus und die Energiegewinnung setzt der so genannte Verstärkungsfaktor in Beziehung. Das Speichern von Energie über einen Zeitraum von z. B. 1 s und das Betreiben des Sensors für 10 ms ergibt einen Verstärkungsfaktor von 100. Energy Harvesting für 10 s und das Erfassen sowie Übertragen für 5 ms ergibt einen nötigen Verstärkungsfaktor von 2000.

Auf der Grundlage dieser Zahlen muss das Energy-Harvesting-System der RSL10 Solarzellen-Multi-Plattform eine Stromquelle von 10 mA/100 = 100 µA oder 10 mA/1000 = 10 µA bereitstellen, um im Abstand von jeweils 1 oder 10 s senden zu können. Diese Informationen helfen bei der Auswahl eines geeigneten Solarmoduls für die Stromversorgung der Plattform. Das Modul kann dann über den integrierten Zwei-Port-Stecker an der Plattform angeschlossen werden.

Ein passendes Solarmodul ist zum Beispiel FlexRB-25-7030 von Ribes Tech. Es erfüllt die Anforderung nahezu perfekt, indem es 16 µA bei 200 Lux oder 80 µA bei 1000 Lux bereitstellt. 200 Lux ist eine typische natürliche Lichtintensität in Nordeuropa bei einem bewölktem Winternachmittag. Helleres Sonnenlicht, zusätzliche künstliche Lichtquellen oder das Aufstellen im Freien oder in der Nähe eines Fensters können die Lichtintensität um mehrere hundert Lux erhöhen.

Bild 2: 
Vergleich von Akku- und Kondensatortechniken für die Energiespeicherung.
Bild 2: 
Vergleich von Akku- und Kondensatortechniken für die Energiespeicherung. (Bild: US Defence Logistics Academy)

Die gewonnene Umgebungsenergie wird meist in einem Kondensator oder einem Akku gespeichert – je nach Anforderung. Kondensatoren mit ihrer geringeren Energiedichte speichern volumenbezogen weniger Energie als Akkus (Bild 2). Daher wird eine Sekundärzelle in einer solarbetriebenen Anwendung bevorzugt, die für lange Zeiträume aktiv bleiben muss, wenn kein Umgebungslicht zu erwarten ist. Bei der Auswahl eines Energiespeichers sind auch dessen Anforderungen für das Laden und Entladen zu berücksichtigen. Ein Akku benötigt Schutz vor Überladung und Tiefentladung. Das erhöht den Schaltungsaufwand und erfordert den Einsatz von Komponenten wie Schaltregler, integrierten Schaltungen und zusätzlichen externen Bauteilen. Ein Kondensator mit geeigneter Nennspannung kommt ohne Ladeschaltung oder Schutzkomponenten aus. In jedem Fall ist jedoch eine zuverlässige Regelung der Ausgangsspannung erforderlich.

Lücke zwischen Energiebedarf und -gewinnung schließt sich

Die RSL10-Sensorplattform verfügt über einen flachen 47µF-Speicherkondensator. Die Spannung wird mithilfe des NCP170 von ON Semiconductor geregelt, einem einfachen Low-Dropout-Linearregler (LDO) mit extrem niedrigem Ruhestrom, der den Energieverlust minimiert. Zudem werden die integrierten Bauelemente so ausgewählt, dass sie entweder eine niedrige Minimal-Eingangsspannung oder einen breiten Versorgungsspannungsbereich aufweisen, um eine einfache Regelung zu unterstützen.

Der Speicherkondensator ermöglicht den Einsatz an Orten, an denen die Umgebungsbeleuchtung stark ausgeprägt und lange Dunkelheit nicht zu erwarten ist. In einem solchen Kontext ist ein kontinuierlicher Betrieb möglich. Das Modul ist mit einer vorinstallierten Beacon-Firmware ausgestattet, die Sensor-und Systemstatusdaten wie den Spannungspegel des Kondensators überträgt und den Beacon-Modus von Bluetooth 5 nutzt. Die Firmware ist mit iOS- oder Android-BLE-Scanner-Anwendungen kompatibel.

Derartige Produkte zeigen: Die Lücke zwischen dem Leistungsbedarf von Embedded-Systemen und der von Energy-Harvesting-Systemen erzeugten Energie schließt sich. Harvesting-Technologien sind heute effektiver und können die Umgebungsenergie besser als je zuvor nutzbar machen. Gleichzeitig kommen neue Halbleitertechnologien mit extrem geringem Stromverbrauch auf den Markt, und auch die Funkübertragungsprotokolle wie Bluetooth Low Energy werden immer weiter optimiert. Gemeinsam genutzt lassen sich damit batterielose IoT-Endpunkte realisieren.

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* Bruno Damien ist Marketing Director of IoT für die Region EMEA bei ON Semiconductor

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