Cómo y cuándo usar la recolección de energía para alimentar el IoT masivo

El despliegue del 5G provoca actualmente una explosión en la cantidad de redes de sensores inalámbricos de Industria 4.0, logística inteligente, ciudades inteligentes, agricultura inteligente y otras aplicaciones masivas de IoT. En el proceso, presenta a los diseñadores una oportunidad única para reconsiderar muchos aspectos de las arquitecturas de red, incluidos los nuevos paradigmas de energía.

Proporcionar energía escalable y confiable a miles de millones de nodos inalámbricos es un problema desafiante. Si esto no se resuelve, impedirá el despliegue masivo de IoT. Usar más baterías no será suficiente. Las baterías tendrán que ser complementadas o eliminadas en un número creciente de casos. En su lugar, se necesitarán varias formas de recolección de energía (EH) para impulsar gran parte del IoT masivo. Afortunadamente para los diseñadores, las tecnologías de EH siguieron avanzando, lo que las convierte en una alternativa cada vez más atractiva para alimentar dispositivos IoT masivos.

Este blog repasa brevemente los desafíos que se presentan cuando se alimentan miles de millones de nodos inalámbricos de IoT masivos y algunos factores a considerar al determinar si la EH puede proporcionar una solución viable. Luego repasa los circuitos integrados de administración de energía de la recolección de energía de EM Microelectronic y Nowi, y entornos de desarrollo para acelerar la evaluación de EH en el IoT masivo.

Cinco factores para considerar al decidir cómo alimentar nodos masivos de IoT:

• Velocidad de datos
• Rango de transmisión
• Latencia
• Entorno operativo
• Impacto ambiental y administración/logística

La velocidad de datos, el rango y la latencia afectan las necesidades de potencia pico y promedio del nodo y dependen del protocolo de comunicaciones inalámbricas que se emplee. Por ejemplo, cuando se usa Bluetooth de baja energía, un panel fotovoltaico (PV) de 10 centímetros (cm) cuadrados puede admitir transmisiones periódicas de paquetes de datos aproximadamente:

• cada 100 milisegundos (ms) bajo niveles de iluminación de interior que se encuentran en las tiendas minoristas;
• cada 200 ms bajo niveles de iluminación en entornos típicos de oficina;
• cada 2 segundos (s) bajo los niveles de iluminación encontrados en almacenes y fábricas.

El entorno operativo también afecta la idoneidad y el costo de las baterías. En entornos relativamente benignos, como tiendas minoristas u oficinas, las baterías menos costosas pueden proporcionar una vida útil operativa razonable, lo que hace que la EH sea relativamente más costosa. Si el nodo inalámbrico se implementa en un entorno al aire libre o industrial hostil, se requerirá una química de batería más costosa, lo que hará que la EH sea relativamente más atractiva.

El impacto ambiental y los problemas de administración también entran en escena. Las baterías primarias tienen una vida útil limitada, lo que aumenta la cantidad de reemplazos necesarios de batería, lo que a su vez aumenta los costos de mantenimiento y administración/logística, y genera un impacto ambiental negativo por la eliminación de la batería. Para abordar estos numerosos problemas, los diseñadores pueden seleccionar entre varias arquitecturas de energía habilitadas para las EH alternativas:

• Energía de batería principal con EH adicional para prolongar la vida útil de la batería, mantener los beneficios de la energía de la batería y reducir los impactos negativos
• Batería recargable combinada con EH para proporcionar una vida más larga y eliminar el reemplazo de la batería
• Condensadores o supercondensadores combinados con EH para un sistema sin batería y la vida útil más larga

Controlador de EH e IC de administración de energía

Para las aplicaciones que pueden beneficiarse de un controlador de EH e IC de administración de energía combinado (PMIC), los diseñadores pueden recurrir al EM8500 de EM Microelectronic. Este PMIC proporciona seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para la fuente de EH, y cuatro voltajes de salida independientes para varias funciones del sistema (Figura 1). Puede interactuar con una variedad de tecnologías de EH, incluidos los generadores eléctricos térmicos (TEG) y las células fotovoltaicas en el rango de microvatios (µW) a milivatios (mW). El EM8500 se puede utilizar en combinación con baterías primarias o secundarias, condensadores convencionales o supercondensadores. El modelo EM8500-A001-LF24B+ viene en un paquete de QFN de 24 pines de 4 x 4 mm.

Figura 1: El PMIC de EM8500 incluye MPPT para la fuente de EH y proporciona cuatro voltajes de salida para el sistema. (Fuente de imagen: EM Microelectronic)

Kit de desarrollo EM8500

Los diseñadores pueden usar el kit de desarrollo EMDVK8500 para configurar y evaluar el EM8500 (Figura 2). Este kit de desarrollo incluye el software necesario para configurar el EM8500 y las herramientas para medir el rendimiento de la solución resultante.

Figura 2: El EMDVK8500 puede configurar el PMIC de EM8500 y medir el rendimiento de la solución resultante. (Fuente de imagen: EM Microelectronic)

IC de controlador de EH y placa de evaluación

Para diseños que no requieren una solución completa de administración de energía, el NH2D0245 de Nowi es un controlador de EH compacto y de alto rendimiento con MPPT para aplicaciones de baja potencia en un paquete QFN de 16 conductores y 3 × 3 mm (Figura 3). El NH2D0245 se puede utilizar con varias fuentes de EH, incluidas la fotovoltaica, inductiva y piezoeléctrica, así como con dispositivos de almacenamiento de energía como baterías recargables o supercondensadores. El algoritmo de MPPT funciona independientemente de la recolectora específica y puede detectar el punto de máxima potencia con un intervalo de 1 s, lo que maximiza la eficiencia en entornos dinámicos.

Figura 3: El controlador de EH NH2D0245 incluye MPPT y viene en un pequeño paquete QFN de 3 mm cuadrados. (Fuente de imagen: Nowi)

La PLACA DE EVALUACIÓN NH2D0245 está diseñada para acelerar las pruebas del rendimiento y las características del NH2D0245 (Figura 4). Para usar esta placa de evaluación, se necesita una recolectora de energía, una batería o un supercondensador, y multímetros. Si se utiliza una EH con una salida de corriente alterna (CA), como una recolectora piezoeléctrica, se debe agregar un rectificador entre la EH y la entrada de corriente continua (CC) de la placa de evaluación.

Figura 4: La placa de evaluación NH2D0245 puede acelerar las pruebas de las funciones y el rendimiento del controlador de EH. (Fuente de imagen: Nowi)

Conclusión

El despliegue del IoT masivo que habilita el 5G traerá a los diseñadores desafíos y oportunidades emocionantes para reconsiderar cómo se alimentan los nodos inalámbricos. Se debe considerar una variedad de factores técnicos, ambientales y económicos para determinar la arquitectura de energía óptima para cada aplicación. Será necesario utilizar una variedad de enfoques basados en EH para mejorar las capacidades de las baterías. En muchos casos, la EH se combinará con baterías primarias o secundarias, condensadores convencionales o supercondensadores.