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Renesas implementiert Harvesting-Funktionalität in Embedded-Controller RE01

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Renesas implementiert Harvesting-Funktionalität in Embedded-Controller

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Viele Entwickler stehen vor der Aufgabe, stromsparende Sensoren zu entwickeln, um das Internet der Dinge zu realisieren. Diese Sensoren werden in unsere Straßen, Büros und Fabriken eingebettet sein und sollen über Jahre hinweg Daten sammeln und mit der Cloud teilen, und zwar meist drahtlos. Um Entwicklern eine einfache Produktentwicklung zu ermöglichen, die die Energie in unserer Umgebung als Energiequelle nutzen, hat Renesas einen Energy Harvesting Controller (EHC) in die Embedded-Controller-Familie RE01 implementiert.

Graeme Clark, Principle Engineer bei Renesas Electronics in Slough/GB

Inhaltsverzeichnis
1. Eine gute Nachricht
2. Energy Harvesting Controller
3. Mikrocontroller mit speziellem Stromversorgungsdesign
4. Richtig dimensionierter Kondensator
5. Überladen verhindern

Selbstverständlich müssen diese Produkte auch kostengünstig sein und wenig oder gar keine Wartung benötigen, da viele von ihnen an schwer zugänglichen Stellen eingebaut sind. Zudem müssen diese Produkte heute auch nachhaltig und ethisch vertretbar sein, was den Material- und Energieverbrauch angeht, um zu einer positiven Klimabilanz beizutragen.

Die Verwendung von Batterien als Energiequelle ist einer der Schlüsselbereiche, mit denen sich die Entwickler auseinandersetzen müssen. Er umfasst viele Themen rund um begrenzte Lebensdauer, Produktnachhaltigkeit, Herstellungsmaterialien, Transportfragen und die Entsorgung der Batterie am Ende ihrer Lebensdauer.

Eine gute Nachricht

Es gibt eine Lösung, die es ermöglicht, ganz auf Batterien zu verzichten oder zumindest ihre Größe zu reduzieren. Wir können die Energie nutzen, die uns überall umgibt, sei es in Form von Licht, Bewegung, Wärme oder einer anderen Form, um unsere Produkte zu betreiben. Mit der neuesten Generation von Energy-Harvesting-Energiequellen wird dies für ein breiteres Spektrum von Produkten realisierbar. Diese sind in der Lage, nützliche Mengen an elektrischer Energie aus immer kleineren Energiemengen in der Umgebung zu gewinnen. Die Systeme können diese kleinen Energiemengen immer effektiver nutzen, um Produkte bei Bedarf mit Strom zu versorgen.

Energieautarke Multiturn-Zähl-Module von Posital

Um Entwicklern eine einfache Produktentwicklung zu ermöglichen, die die Energie in unserer Umgebung als Energiequelle nutzen, hat Renesas einen Energy Harvesting Controller (EHC) in die Embedded-Controller-Familie RE01 implementiert. Diese Bausteine basieren auf dem Silicon-on-Thin-Buried-Oxide-Halbleiterprozess und bieten eine aktive Stromaufnahme von nur 10 µA/MHz. Dies macht sie ideal für intelligente Sensoren, die mit Energy Harvesting betrieben werden.

Das größte Problem bei der Entwicklung eines Produkts, das eine Energy-Harvesting-Energiequelle nutzt, ist der Anlaufstrom der Schaltung, insbesondere des Mikrocontrollers (MCU). Wird eine MCU mit Strom versorgt, gibt die Power-On-Reset-Schaltung die Reset-Leitung frei, sobald ein ausreichender Spannungspegel am Versorgungs-Pin vorhanden ist. Die MCU beginnt mit der Initialisierung, d. h. die Taktgeber beginnen zu laufen, die Register werden initialisiert und die Boot-Routine wird ausgeführt. Dies kann eine erhebliche Energiemenge erfordern und damit einen hohen Anlaufstrom, oft viele mA, die die meisten kleinen Energy-Harvesting-Quellen nicht liefern können. An diesem Punkt kann der Mikrocontroller nicht mehr korrekt arbeiten, da die Versorgung zusammenbricht und der Bootvorgang fehlschlägt.

Energy Harvesting Controller

Der EHC ist der auf der Embedded-Controller-Familie RE01 von Renesas implementiert. Das Unternehmen hat den EHC entwickelt, um die Hürde bezüglich des Einschaltstroms zu beseitigen und dem Entwickler die Möglichkeit zu geben, sowohl den Boot-Zyklus des Mikrocontrollers – ohne zu hohe Stromaufnahme – als auch die externen Stromspeicher zu managen. Diese bestehen in diesem Fall aus Speicherkondensatoren und Sekundärbatterien oder Supercaps. Dadurch kann der Entwickler die kleinen Mengen an Energie, die von der Energy-Harvesting-Energieversorgung erzeugt werden, sorgfältig managen und speichern, bis sie benötigt werden. Der EHC ist so flexibel konzipiert, dass er mit einer Vielzahl von Energy-Harvesting-Energiequellen arbeiten kann, wie Solarzellen, thermoelektrischen Generatoren, Vibrations-Harvestern sowie vielen anderen Energiequellen.

Bei Embedded-Designs mit kleinen Harvestern handelt es sich in der Regel um kleine Energiemengen. Zum Beispiel könnte eine 25 cm2 große Solarzelle mit einer Lichtstärke von 200 Lux, vergleichbar mit der Lichtstärke in Innenräumen an einem regnerischen Tag in Großbritannien, ca. 40 bis 50 µA liefern. Die neueste Generation thermoelektrischer Generatoren mit einer Temperaturdifferenz von 2 bis 3 °C wird ein ähnliches Stromniveau erzeugen. Der EHC muss also diese kleinen Energiemengen verarbeiten und speichern, damit sie bei Bedarf vom Mikrocontroller oder von anderen Systemkomponenten genutzt werden können. Das wird am Anwendungsfall Solarzelle besonders deutlich.

Das vereinfachte Blockdiagramm des EHC zeigt die Solarzelle, die den Baustein mit Strom versorgt, den externen Speicherkondensator, der als ursprüngliches Energiereservoir verwendet wird, um das Hochfahren des Bausteins zu unterstützen, und eine optionale Sekundärbatterie, die geladen werden kann, wenn genügend Energie vorhanden ist. Der EHC kann optional die im System gespeicherte Energie nutzen, um externe Komponenten, wie Sensoren oder Funksender zu betreiben.

Mikrocontroller mit speziellem Stromversorgungsdesign

Der RE01-Mikrocontroller hat ein Stromversorgungsdesign mit vier separat versorgten internen Versorgungsbereichen und sechs externen Versorgungsbereichen. Je nach den Anwendungsanforderungen kann jeder dieser Bereiche unabhängig ein- oder ausgeschaltet werden. Dies ermöglicht dem Anwender, den Energieverbrauch des Bausteins je nach den Anforderungen der Anwendung jederzeit zu optimieren. Jede der E/A-Peripherie- und Pin-Funktionen ist einer separaten Domäne zugeordnet, die bei Bedarf einzeln mit Strom versorgt werden kann.

Erkennt der Energy Harvesting Controller, dass eine Spannung am VSC-VCC-Pin anliegt und die Versorgung mindestens 5 µA erzeugen kann, wird der Energy-Harvesting-Zyklus gestartet. Die Stromversorgung des Controllers ist so ausgelegt, dass die vom VCC-Pin ausgegebene Leistung sowohl an andere Stromversorgungspins als auch an Peripheriekomponenten, wie externe Sensoren oder einen Funksender, übertragen werden kann.

Geht die Stromabgabe vom VCC-Pin aus, sind der VCC-Pin und die Sekundärbatterie im Energy Harvester nicht miteinander verbunden. Sind zu diesem Zeitpunkt die E/A-Bereiche und die externen Komponenten direkt an die VCC angeschlossen, kann die von ihnen verbrauchte Leistung größer sein als die Leistung der Solarzelle und die im Speicherkondensator gespeicherte Energie reicht nicht aus. In diesem Fall arbeitet die MCU nicht korrekt und der Boot-Zyklus schlägt fehl.

Um dieses Phänomen zu vermeiden, ist ein Mechanismus zur Trennung dieser Schaltungen von der Stromversorgung erforderlich. Dazu ist ein Schalter zwischen dem VCC-Pin und den Peripheriekomponenten installiert. Der Lastschalter wird über einen General-Purpose-(GPIO)-Port ein- und ausgeschaltet. Aus diesem Grund wird immer einer der E/A-Bereiche mit Strom versorgt. (Der Lastschalter sollte bei der Inbetriebnahme ausgeschaltet und erst wieder eingeschaltet werden, wenn die Sekundärbatterie vollständig geladen ist.)

Der Energy Harvesting Controller besteht aus mehreren Switches und der zugehörigen Steuerlogik. Diese Schaltung steuert, wohin der Strom im Baustein während des Betriebs fließt. Wird der Baustein zum ersten Mal von der Solarzelle mit Spannung versorgt, wird Strom von der Solarzelle an den EHC übertragen. Anstatt jedoch den Mikrocontroller hochzufahren, werden die Switches SW1 und SW3 geschlossen, sodass die verfügbare Energie zum Laden des externen Speicherkondensators genutzt werden kann.

Renesas Electronics stellt Mikrocontroller vor

Richtig dimensionierter Kondensator

Der EHC überwacht den Zustand des Kondensators, um zu erkennen, ob er genügend Energie für die Versorgung der MCU enthält. Der Kondensator sollte richtig dimensioniert sein, um genügend Energie für die MCU zu liefern, damit diese ihre Initialisierungsroutinen abschließen kann. Durch das Schließen des Switches SW6 wird die MCU im Inneren des RE01 mit Strom versorgt und das Reset-Signal ausgelöst. Zu diesem Zeitpunkt wird auch Strom vom VCC-Pin ausgegeben, daher sollte darauf geachtet werden, dass die Stromaufnahme durch externe Schaltungen, die über diesen Pin versorgt werden, minimiert wird.

Sobald die MCU hochgefahren ist und ihre Initialisierungssoftware mit der Energie im Speicherkondensator ausgeführt hat, wechselt die MCU in einen ihrer Ultra-Low-Power-Modi, damit der Speicherkondensator wieder aufgeladen werden kann. Ist dies abgeschlossen, kann die Sekundärbatterie (oder der Supercap, falls bevorzugt) geladen werden. In diesem Fall wird der Switch SW3 geöffnet und der Switch SW2 geschlossen, um die verfügbare Energie zum Laden der Batterie umzuleiten. Dies geschieht unter der Kontrolle der MCU, die den Zustand der Batterie überwacht.

Die MCU überwacht den Zustand der Sekundärbatterie oder des Supercaps. Ist diese geladen, kann bei Bedarf die volle Leistung des Bausteins freigegeben werden. Mit einer geladenen Batterie lassen sich externe Sensoren oder ein Funksender mit Strom versorgen. Auch die Geschwindigkeit der MCU und die Peripheriefunktionen können erhöht werden.

Der Energy Harvesting Controller überwacht weiterhin alle Spannungspegel auf dem Baustein, einschließlich der Spannungspegel am Speicherkondensator und an der Sekundärbatterie. Fällt die Spannung am Kondensator unter einen festgelegten Schwellenwert, wird der Ladevorgang der Sekundärbatterie vorübergehend gestoppt, um den Speicherkondensator wieder aufzuladen. Ist der Speicherkondensator wieder vollständig aufgeladen, kann der Ladevorgang der Sekundärbatterie wieder beginnen. Dieser Zyklus kann während des Betriebs so oft wie nötig wiederholt werden.

Überladen verhindern

Der Energy-Harvesting-Steuerschaltkreis verfügt auch über eine Funktion, die ein Überladen der Sekundärbatterie verhindert. Ist die Stromzufuhr von der Solarzelle zu groß und die Sekundärbatterie könnte überladen werden, schaltet sich der Switch SW2 aus, um sie zu schützen.

Produziert die Solarzelle keinen Strom mehr, wird der Betrieb mit der von der Sekundärbatterie gelieferten Energie fortgesetzt. Es gibt auch eine Rückstromsperre, um Schäden zu vermeiden, die durch zurückfließenden Strom zur Solarzelle verursacht werden: Der Stromkreis im Inneren des EHC ist unterbrochen. Die Anwendung läuft weiter, versorgt durch die in der Sekundärbatterie und dem Speicherkondensator vorhandene Energie, bis diese entladen sind. Da der EHC die Spannungspegel an diesen beiden Komponenten überwacht, erzeugt er eine Warnung, dass die Stromversorgung ausfällt, um dem System ein geordnetes Herunterfahren zu ermöglichen, bevor die Energieversorgung erschöpft ist.

Mit dem EHC kann der Anwender die Energie aus einer Energy-Harvesting-Quelle sinnvoll managen, die Ströme von nur wenigen µA erzeugt. Der Anwender kann diese Energie speichern, um sie bei Bedarf für die Anwendung freizugeben.

Ein typischer Stromversorgungszyklus einschließlich des Hochfahrens des EHC beginnt, wenn dieser zum ersten Mal von der Solarzelle mit Energie versorgt wird. Die Spannung am Speicherkondensator fällt ab; die MCU initialisiert sich dann, richtet den Harvester ein und geht in einen stromsparenden Zustand über, während sie weiterhin langsam Code ausführt und etwa 1 µA verbraucht. Der Speicherkondensator wird dann wieder aufgeladen und die Sekundärbatterie beginnt zu laden. Wenn die Sekundärbatterie aufgeladen ist und ein Interrupt erzeugt wird, ist genug Energie vorhanden, um die MCU in den Vollbetrieb zu schalten und bei Bedarf externe Sensoren und einen Funksensor zu aktivieren. Dies kann unter der Kontrolle der Anwendung der MCU geschehen. Wenn die Sekundärbatterie entladen ist und die Spannung auf einen vorgegebenen Grenzwert fällt, erhält das System eine Warnung, um die Leistung zu reduzieren, und der Zyklus beginnt erneut.

Der auf den Mikrocontrollern der RE01-Familie implementierte Energy Harvesting Controller ermöglicht dem Anwender eine einfache Implementierung der Hardware, die für die Nutzung vieler Arten von Harvesting-Energiequellen erforderlich ist. Mit dem EHC lässt sich sowohl die Beschränkungen durch den Einschaltstrom bei herkömmlichen Mikrocontrollern überwinden als auch die verfügbare Energie zur Versorgung der gesamten Anwendung managen.

Details zum Thema Energy Harvesting:

http://hier.pro/qC2Tm

Kontakt:
Renesas Electronics Europe GmbH
Arcadiastrasse 10
40472 Düsseldorf
Tel: +49 211 6503 0
www.renesas.com/eu/en

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