エナジーハーベスティングを活用した信頼性の高いエッジIoTデバイスの実現

組織がデジタルトランスフォーメーションを推進する中でIoTの導入が加速しており、都市、工場、農場におけるスマートライフは、生活の質と持続可能性の向上を約束しています。

IoTエンドポイントは通常、ワイヤレスでアグリゲーターやインターネットゲートウェイに接続するセンサー（または、より稀にアクチュエーター）です。これらは大量に、広い範囲に分散して導入されます。消耗した一次電池の交換などのフィールドメンテナンスは、しばしば法外なコストがかかり、許容できない環境廃棄物を生み出します。

エンジニアは、エンドポイントを想定寿命（多くの場合数年）にわたる十分なエネルギー貯蔵量を持つように設計することで、電池交換を回避できます。サイズの制約からコインセル型が通常好まれます。貯蔵エネルギーが不足する場合は、より大型のセルを使用できます。

あるいは、回路を再設計して全体の消費電力を利用可能なセルの貯蔵量以下に抑えることも有効です。どちらの戦略、またはその組み合わせでも、目標を達成できない場合があります。

マイクロエナジーハーベスティング（マイクロワット〜ミリワットの電力を生成）は、周囲の環境から電気を捕捉する有用で、潜在的に枯渇しない電源となります。用途と利用可能な周囲エネルギーに応じて、一次電池を補完または置き換えることができます。収集・変換されたエネルギーで直接回路を駆動できる場合もあれば、必要になるまでバッファに蓄える方が適している場合もあります。

いずれにせよ、アプリケーションのニーズを満たす適切な周囲エネルギー源が必要です。IoTエンドポイントの各サブシステムの中で、無線モジュールが最も多くのエネルギーを消費します。その要件を分析することで、エナジーハーベスティングシステムの設計と統合を導くことができます。

無線サブシステムの消費電力

必要なデータレートと通信距離を、可能な限り低い消費電力で提供する最適な無線技術を選択することが重要です。

センサーがアグリゲーターやゲートウェイ（インターネットやローカル電気通信交換機に接続されたハブやルーターなど）から短距離にある場合、必要なデータレートとコスト制約に応じて、Bluetooth、Zigbee、Wi-Fiなどの技術が適しています。広い地理的範囲に分散するエンドポイントには、LPWANやセルラー接続が必要になる場合があります。図1は、IoTアプリケーションで使用される主要技術の消費電力、データレート、典型的な最大通信距離、相対コストを比較しています。

通信距離、データレート、消費電力は数値でも表せ、直接比較が可能です。図2が示すように、無線サブシステムの消費電力は150µWから400mWの範囲にあります。

システム全体のエネルギー需要への影響を完全に理解するには、デューティサイクルを考慮する必要があります。スマートメーターのようなアプリケーションでは、少量のデータパケットを1日数回、または数日に1回送信します。一方、監視カメラのように、大量のデータを頻繁に、または継続的に送信する必要があるものもあります。用途に応じて、データをローカルでフィルタリングしてから送信することでデューティサイクルを削減できます。例えば、カメラに動きセンサーを組み込み、活動が検出されたときのみ録画を開始したり、組み込み画像処理で不要なフレームを破棄したりします。データフィルタリングに必要なエネルギーと、デューティサイクル削減による節約を天秤にかけ、正味のメリットがあるか確認する必要があります。

周囲エネルギー源

無線サブシステムのエネルギー需要が明確になれば、適切な周囲エネルギー源とマイクロエナジーハーベスティング技術を評価できます。

これらのシステムを駆動できる主なマイクロエナジーハーベスティング技術は、ソーラーセルアレイ、振動で駆動する圧電または静電変換器、温度勾配を起電力（EMF）に変換するペルチェ素子です。パッチアンテナやコイルアンテナで捕捉するRFエネルギーは、一般に最も消費電力の少ないIoTアプリケーションにのみ適しています。図3は、これらの技術の典型的なエネルギー密度を比較しています。この情報を用いて、コンポーネントのサイズと性能を評価し、技術を選定して仕様を策定できます。

35〜40cm²のソーラーセルは、約20%の効率で約0.5Wを生成できます。これらは大量購入時1個1ドル未満で入手可能ですが、圧電ハーベスタは通常少なくとも1桁高価で、生成エネルギーも少ないです。ソーラーセルは屋内では効率が落ちますが、最近の屋内用ハーベスタは低消費電力無線向けに十分な出力を謳っています。

全体の統合

これらの進歩を活用することで、マイクロエナジーハーベスティングはIoTエンドポイントの電池を削減、または不要にできます。周囲のエネルギー源は不規則で、デバイスがデータを送受信する必要があるときに利用できない場合があるため、充電池、コンデンサ、スーパーキャパシタなどのエネルギーバッファが通常必要です。エナジーハーベスティング電力管理IC（EH PMIC）は、ハーベスティングサブシステムからのエネルギーを管理し、バッファを充電し、必要に応じて負荷に電力を供給します（図4参照）。異なるハーベスティング技術はそれぞれ異なる電気的特性を持ちます。熱電ハーベスタは連続的な低電圧DC電流を生成し、低インピーダンスです。ソーラーセルも低DC電圧を生成しますが、電流（したがってインピーダンス）は光量に応じて変化します。

現在市場に出ている典型的なEH PMICは、特定のハーベスタタイプに合わせた固定アーキテクチャと入力電圧範囲を持っています。これは、単一のエネルギー源ではシステム要件を満たせない場合に、複数のエネルギー源を組み合わせる能力を制限します。複数のエネルギー源が必要な場合、それぞれに専用のEH PMICが必要となり、コスト、サイズ、消費電力、設計の複雑さが増します。

一部のEH PMICは外付け回路で調整してハーベスタの出力を調整できます。システム設計を簡素化するため、TrametoのEH PMIC「OptiJoule」は、接続されたさまざまなハーベスタに自動的に適応し、外付け回路なしでバッファへの供給電力を最大化する入力を備えています。シングル入力版と最大4入力版があります。マルチ入力版では、同種または異種のハーベスタを接続できます。OptiJouleデバイスにより、マイクロエナジーハーベスティング容量を拡張でき、1つのPMICで複数のアプリケーションに対応でき、ハーベスティング技術の選定を製品開発の後期まで延期できます。

結論

最適化された無線プロトコル、低エネルギーマイクロプロセッサ設計、低消費電力センサー、マイクロエナジーハーベスティング効率の向上といった進歩により、周囲エネルギーがエッジIoTデバイスの電池を削減または不要にする実用的な電源となりました。最新のEH PMICの開発により、選択したマイクロエナジーハーベスティング技術の統合において、サイズ、コスト、複雑さを管理する柔軟性が提供されています。