Аккумуляция энергии без использования батарей во встраиваемых системах

Современные микроконтроллеры с ультранизким энергопотреблением достигли такого уровня интеграции и эффективности работы, что для многих приложений более не требуются обычные виды батарей. К таким приложениям относятся довольно сложные сети датчиков, которые могут передавать данные с помощью беспроводной связи.
Собирая весьма малое количество энергии из окружающей среды, эти системы способны работать почти бесконечно без использования батарей. Такая технология не только улучшает свойства приложений из-за исключения их зависимости от времени работы батарей, но также способствует появлению совершенно нового класса приложений, которые ранее были невозможны из-за конечного срока службы источников питания и их значительных размеров.

Подобно закону Мура, который утверждает об удвоении числа транзисторов в цифровой схеме каждые два года, обратная тенденция происходит с энергопотреблением. Примерно каждые 1,5 года мощность потребления цифровых систем уменьшается вполовину.
Прогресс в улучшении энергоэффективности систем уже привел к грандиозным результатам для небольших микроконтроллеров (МК) с ультранизким энергопотреблением, специально разработанным для приложений с батарейным питанием, и позволил спроектировать устройства, в которых срок службы батареи достигает 10 лет. Для МК с ультранизким потреблением обычной является величина тока потребления в дежурном режиме не более 1 мкА, а в активном режиме потребление составляет порядка 200 мкА/MIPS. Поскольку частота тактового сигнала этих микроконтроллеров обычно составляет около 25 МГц и менее, пиковое потребление тока сравнительно невелико, и для питания таких устройств можно использовать простые источники питания.
Мощность, потребляемая данным приложением, редко определяется энергопотреблением отдельного МК. Аналоговые схемы преобразования, стабилизаторы питания и коммуникационные устройства также являются составными частями системы и потребляют энергию, даже когда неактивны. Путем интеграции функций каждого устройства в одном кристалле, изготовленном с помощью технологического процесса с малым потреблением, можно значительно снизить ток утечки всей системы. Кроме того, с помощью управления неиспользуемой в текущий момент периферии каждого МК энергопотребление можно снизить еще больше. Отдельное высокоинтегрированное устройство потребляет меньшую мощность, чем решение на основе дискретных компонентов. К тому же, отдельное устройство упрощает проект, а также снижает стоимость и площадь на плате, которая требуется для реализации данной функции.
Гибкие требования к системе питания МК с ультранизким энергопотреблением не только позволяют уменьшить мощность за счет более низкого напряжения питания, по сравнению с обычными встраиваемыми процессорами с фиксированным напряжением питания, но и допускают применение разнообразных типов источников энергии. Например, некоторые МК с ультранизким энергопотреблением поддерживают широкий диапазон входного напряжения (1,8…3,6 В). Работа при более низком напряжении позволяет микроконтроллеру снизить общее энергопотребление системы, а также использовать для питания систему сбора энергии.

Обычные батареи, такие как литиево-ионные элементы, были стандартным источником питания для портативной электроники в течение десятков лет, однако они накладывают серьезные ограничения на удобство в использовании, срок службы и эксплуатационные расходы. В то время как вычислительная мощность удваивается примерно каждые два года, успехи в области батарейных технологий гораздо менее заметны. В прошлом емкость батарей удваивалась каждые 10 лет. Кроме весьма медленного роста энергетической емкости, обычные батареи имеют ограничения по общей полезной энергетической плотности. Современные литиево-ионные батареи, пользующиеся большим спросом благодаря высокому соотношению между емкостью и весов, имеют энергетическую плотность 150…200 Вт . ч/кг.
Исследования показали, что можно увеличить их энергетическую плотность в 10 раз в течение нескольких лет. Даже если это будет достигнуто, необходимо учитывать вопросы их безопасности. В случае неправильного использования, батареи, имеющие чрезвычайно высокую энергетическую плотность, могут стать взрывоопасными устройствами.
Для большинства устройств с батарейным питанием стоимость эксплуатации редко определяется первоначальной стоимостью при их изготовлении. При длительном сроке службы устройства замена батарей может существенно влиять на общую стоимость эксплуатации. Это особенно важно в приложениях, где замена батарей затруднительна или сопряжена с высокими трудозатратами на обслуживание. Возьмем, например, счетчики расхода воды, которые необходимо установить под землей. Чтобы добраться до них, следует раскопать грунт на глубину более 1 м в условиях холодного климата. Таким образом, из-за недоступности счетчиков расхода воды стоимость замены батарей в них может составлять 100–200 долл. на один прибор.
Миниатюризация устройств стала постоянной тенденцией во многих областях. Для продуктов широкого потребления требования по уменьшению габаритных размеров привели к созданию высокоинтегрированных микросхем, которые позволяют обеспечить максимальную функциональность в условиях ограниченного пространства.
В то время как все более высокая интеграция на уровне микросхем отвечает требованиям заказчиков, источники энергии не получают преимуществ от миниатюризации. Пространство, необходимое для размещения батарей, становится все более ограниченным, срок службы устройств с батарейным питанием увеличивается, а количество энергии, которое батарея должна обеспечить, растет.
Требования к батареям для современной электроники намного превышают те результаты, которые можно достичь. Несмотря на проблемы, связанные с обычными батареями, можно обеспечить функционирование устройств с помощью современных перезаряжаемых батарей либо отказаться от батарей полностью, если обеспечить питание встраиваемого процессора с ультранизким потреблением от источника, который собирает энергию из окружающей среды.

В принципе, аккумуляция энергии известна на протяжении многих тысяч лет. Современные ветровые электростанции или батареи солнечных элементов позволяют возвратить часть электрической энергии в сеть. Эти крупномасштабные приложения можно назвать макросистемами сбора энергии.
С другой стороны, микросистемы, на которых мы сосредоточим внимание в этой статье, позволяют небольшим автономным устройствам аккумулировать энергию из окружающей среды и сохранять ее. Несмотря на то, что микро- и макросистемы имеют схожие принципы работы, их сферы применения совершенно разные.
Системы, предназначенные для сбора энергии, состоят из двух основных частей:
– устройства, которые преобразуют энергию из окружающей среды;
– средства хранения энергии для дальнейшего использования приложением.
Несмотря на то, что остальные блоки системы могут быть самыми разными и зависят от выполняемого задания, все решения для сбора энергии обычно содержат схожие элементы, которые идеально подходят для датчиковых сетей. МК с ультранизким энергопотреблением является сердцем такой системы, отвечающим за обработку информации, измерения и обеспечение связи. МК сопрягается с любым количеством датчиков, осуществляет сбор информации, а также передает или принимает данные через беспроводной приемопередатчик. Типичная структурная схема такой системы показана на рисунке 1.
Источников энергии, которую можно использовать и собрать, весьма много; в настоящее время появляются и довольно сложные системы сбора энергии. Однако наиболее распространенными источниками энергии являются свет, тепло, радиочастота и вибрация. Каждый вид энергии имеет свои преимущества и недостатки, а конкретная технология сбора энергии зависит от приложения. Ясно, что прибор, оснащенный солнечной панелью, бесполезен, если он находится в темном месте весь день. Назначение системы аккумуляции энергии заключается в сборе доступной энергии, которая, в противном случае, была бы потеряна.

Рис. 1. Блок-схема системы, использующей сбор энергии

Выходная мощность устройств аккумуляции энергии в зависимости от использованной технологии, эффективности, размера системы и окружающей среды, в которой они находится, различается на несколько сот порядков. Типовые значения выходной мощности для нескольких технологий сбора энергии представлены в таблице 1.

Типовой МК с ультранизким потреблением и беспроводной трансивер потребляют в совокупности около 50…100 мВт в условиях передачи данных. Это означает, что для работы приложения потребовалось бы весьма крупное устройство сбора энергии и доступ к ее источнику в течение всего времени работы прибора. Кроме того, пиковой выходной мощности было бы недостаточно для выполнения заданий, требующих значительной вычислительной мощности.
Было бы слишком не практично использовать большое устройство аккумуляции энергии для небольшого приложения; также нереально предполагать, что источник энергии будет доступен постоянно. Поскольку в большинстве случаев энергия поступает в виде низкого напряжения в течение длительного периода времени, ее следует вначале сохранить и сделать доступной для приложения по необходимости. В то время как система накапливает энергию, МК, сенсоры и система связи могут работать в дежурном режиме, который позволяет минимизировать утечки энергии.
Компонент, используемый для хранения энергии, должен работать как буфер для остальной части приложения. Емкость и технические параметры буфера зависят от приложения. Если оно затрачивает длительное время для доступа к источнику энергии, требуется довольно мощный буфер, но если приложение постоянно находится около источника энергии и редко переходит в активный режим (приложения с малым рабочим циклом), достаточно небольшого буфера.
Для наиболее широко используемых приложений идеальный энергетический буфер должен обладать следующими свойствами:
– весьма незначительные утечки (саморазряд);
– неограниченная емкость;
– малый объем;
– отсутствие необходимости преобразования энергии;
– эффективность приема и передачи энергии.
К сожалению, идеальных элементов для хранения энергии не существует. Тем не менее существует несколько технологий хранения, обладающих своими преимуществами и недостатками: перезаряжаемые батареи (например, щелочные, никелево-кадмиевые и литиево-ионные), суперконденсаторы и тонкопленочные батареи. В то время как перезаряжаемые батареи различного химического состава и суперконденсаторы являются хорошо известными устройствами, которые продолжают совершенствоваться, тонкопленочные батареи, служащие хорошей альтернативой суперконденсаторам, появились на рынке недавно. Основные параметры каждого вида технологий хранения энергии представлены в таблице 2.

Несмотря на желание навсегда избавиться от используемого в системе комплекта батарей, не для всех приложений это возможно. Кроме серьезных требований, таких как доступность источника для аккумуляции энергии, существуют также практические соображения, например затраты на установку и наладку. Если приложение должно функционировать лишь в течение двух лет и доступ к комплекту батарей не представляет затруднений, а источник питания на основе технологии сбора энергии дороже батарей и занимает больше места, то, вероятнее всего, нецелесообразно переходить на такой источник питания.
Кроме доступности источника энергии, приложения, для которых планируется использовать ее аккумуляцию, должны отвечать следующим условиям: затруднения при установке или доступе для обслуживания; слишком высокая стоимость или крупные габариты системы кабелей для питания и коммуникации; необходимость обеспечения экологичности или весьма длительного срока работы. Если одно или более из этих требований применимо к данному приложению, то оно получит преимущества от применения технологии сбора энергии.

В идеальном случае существующий источник питания заменяется системой аккумуляции энергии для питания изделия. Однако в реальности это возможно только в том случае, когда устройство сбора энергии всегда обеспечивает выполнение тех требований приложения по потребляемой мощности, что и при использовании обычного источника питания. На практике, системы накопления энергии ориентированы на работу при сверхнизком потреблении мощности и должны учитывать широкие колебания входной энергии, включая вероятность того, что ее источник становится недоступным на некоторый период времени.
В основе принципов проектирования таких систем должны находиться методы разработки схем с ультранизким энергопотреблением. Обязательным требованием является применение в этих системах МК и РЧ-трансивера, оптимизированных для минимального энергопотребления, например 16-разрядного микроконтроллера MSP430 и 2,4-ГГц трансивера CC2500 компании Texas Instruments. Следует оптимально использовать дежурный режим работы МК, а также минимизировать время работы в активном режиме с высоким энергопотреблением. Для этого требуется тщательно изучить график режимов работы приложения. На основе графика выбирается соответствующая технология хранения энергии, которая обеспечивает достаточный запас энергии во время работы приложения в активном режиме.
В реальных системах в маломощном дежурном режиме комбинация МК MSP430F2274 и трансивера CC2500 потребляет около 1,3 мкА. Хотя это незначительная нагрузка, источник питания или элемент хранения энергии должен всегда обеспечивать минимальный уровень необходимой мощности.
Если приложение предназначено для считывания данных с температурного датчика и беспроводной передачи информации в центральную точку доступа за короткий период времени, источник питания должен поддерживать значительную пиковую нагрузку порядка 25 мА, что на несколько порядков превышает величину тока потребления в дежурном режиме. Детальный график работы такой системы показан на рисунке 2.

1 – измерение температуры с помощью АЦП; 2 – измерение напряжения с помощью АЦП; 3 – блокировка АЦП и обработка данных в МК Рис. 2. Профиль потребления энергии беспроводного температурного датчика

Интегрируя площадь под кривой, можно получить общее энергопотребление на уровне около 36 мкА.с в активном режиме и порядка 1,3 мкА.с в дежурном режиме. Если бы данное приложение имело рабочий цикл длительностью 1 с, среднее потребление тока составило бы 37 мкА ((36 мкА.с + 1,3 мкА.с)/(1 с)).
Если бы система сбора энергии могла поддерживать постоянную токовую нагрузку на уровне 37 мкА все время, энергетического буфера не потребовалось бы. Однако если использовать солнечную панель, причем без гарантии того, что эта панель все время будет находиться при прямом солнечном свете, то понадобился бы достаточно мощный элемент хранения энергии для поддержания работоспособности приложения в течение всего времени, когда система может находиться в темноте.
С другой стороны, если данные с датчика не нужны в любой момент времени, систему можно спроектировать так, чтобы передавать информацию, только когда имеется легкодоступный источник энергии. Таким образом, потребовался бы энергетический буфер для хранения энергии, необходимой системе только в дежурном режиме.

Микросистемы сбора энергии из различных источников, таких как свет, движение, тепло или радиочастота позволяют инженерам обойти физические ограничения батарей и создавать приложения, для обслуживания которых не нужен непосредственный доступ. Недорогие автономные сети датчиков не только смогут улучшить нашу жизнь, предоставляя данные о состоянии окружающей среды, но обеспечат это без необходимости дополнительных затрат или какого-либо нежелательного воздействия на окружающую среду. Сбор энергии увеличит срок службы существующих продуктов и позволит реализовать решения, которые не были доступны ранее.