Aprovechamiento de la Captación de Energía para Dispositivos IoT Edge Confiables

Las implementaciones de IoT se están acelerando a medida que las organizaciones adoptan la transformación digital, y la vida inteligente —en ciudades, fábricas y granjas— promete mejorar la calidad de vida y la sostenibilidad.

Los endpoints de IoT suelen ser sensores —o, con menos frecuencia, actuadores— que se conectan de forma inalámbrica a un agregador o gateway a internet. Se despliegan en grandes cantidades y se extienden por amplias áreas. El mantenimiento en campo, como el reemplazo de baterías primarias agotadas, suele ser prohibitivamente caro y genera residuos ambientales inaceptables.

Los ingenieros pueden evitar el reemplazo de baterías diseñando endpoints con reservas de energía suficientes para su vida útil esperada, a menudo varios años. El factor de forma de pila de botón suele preferirse debido a las restricciones de tamaño. Si la energía almacenada es insuficiente, se puede usar una pila más grande.

Alternativamente, rediseñar el circuito para reducir el consumo total de energía por debajo de la capacidad de almacenamiento de la pila disponible puede ayudar. Cualquiera de las dos estrategias —o una combinación de ambas— podría seguir sin alcanzar el objetivo.

La micro-captación de energía, que produce microwatios o milivatios de potencia, ofrece una fuente útil y potencialmente inagotable de electricidad capturada del entorno ambiental. Puede complementar o reemplazar una pila primaria, dependiendo de la aplicación y la energía ambiental disponible. En algunos casos, la energía captada y convertida puede alimentar el circuito directamente; en otros, almacenarla en un búfer hasta que se necesite es más adecuado.

En cualquier caso, se requiere una fuente de energía ambiental adecuada para satisfacer las necesidades de la aplicación. Entre los diversos subsistemas del endpoint IoT, la radio consume la mayor energía. Analizar sus requisitos puede guiar el diseño e integración del sistema de captación de energía.

Consumo de energía del subsistema de radio

Elegir la tecnología inalámbrica más adecuada para proporcionar la tasa de datos y el rango de comunicación requeridos al menor consumo de energía posible es fundamental.

Si el sensor está posicionado a corta distancia de un agregador o gateway —como un hub o router conectado a internet o una central telefónica local— tecnologías como Bluetooth, Zigbee o Wi‑Fi pueden ser apropiadas, dependiendo de la tasa de datos requerida y las restricciones de coste. Para endpoints distribuidos en grandes áreas geográficas, puede ser necesaria una conexión LPWAN o celular. La Figura 1 compara el consumo de energía, la tasa de datos, el rango máximo típico y los costes relativos de las principales tecnologías usadas en aplicaciones IoT.

El rango, la tasa de datos y el consumo de energía también pueden expresarse numéricamente para facilitar la comparación directa. Como muestra la Figura 2, un subsistema inalámbrico puede consumir desde tan solo 150 µW hasta 400 mW.

Para comprender plenamente el impacto en la demanda energética global del sistema, debe considerarse el ciclo de trabajo. Aplicaciones como los medidores inteligentes de servicios públicos envían pequeños paquetes de datos unas pocas veces al día o cada pocos días. Otras —como las cámaras de seguridad— pueden necesitar enviar grandes cantidades de datos frecuente o continuamente. Dependiendo de la aplicación, el ciclo de trabajo puede reducirse filtrando los datos localmente antes de transmitir; una cámara, por ejemplo, podría incluir un sensor de movimiento para iniciar la grabación solo cuando se detecta actividad, o el procesamiento de imagen integrado podría descartar fotogramas no interesantes. La energía requerida para filtrar los datos debe sopesarse frente al ahorro de un ciclo de trabajo menor para asegurar un beneficio neto.

Fuentes de energía ambiental

Con una visión clara de las necesidades energéticas del subsistema inalámbrico, pueden evaluarse fuentes ambientales adecuadas y tecnologías de micro-captación de energía.

Las principales tecnologías de micro-captación de energía que pueden alimentar estos sistemas son arrays de celdas solares, convertidores piezoeléctricos o electrostáticos activados por vibraciones, y dispositivos Peltier que convierten un gradiente de temperatura en fuerza electromotriz (FEM). La energía RF capturada mediante antenas de parche o bobina es generalmente adecuada solo para las aplicaciones IoT más frugales. La Figura 3 compara las densidades de energía típicas de estas tecnologías. Con esta información, puede seleccionarse una tecnología y desarrollar una especificación evaluando tamaños y rendimiento de componentes.

Celdas solares con un área de 35–40 cm² pueden generar aproximadamente 0,5 W, asumiendo una eficiencia de aproximadamente el 20 %. Estas celdas están disponibles por menos de 1 dólar cada una en volumen, mientras que los captadores piezoeléctricos suelen ser al menos un orden de magnitud más caros y producen menos energía. Las celdas solares son menos eficientes en interiores, pero los captadores de interior recientes afirman una salida suficiente para radios de baja potencia.

Uniendo todo

Aprovechando estos avances, la micro-captación de energía puede reducir o eliminar baterías en endpoints IoT. Como las fuentes ambientales son irregulares y pueden no estar disponibles cuando el dispositivo necesita transmitir o recibir datos, suele requerirse un búfer de energía —como una batería recargable, un capacitor o un supercapacitor—. Un CI de gestión de energía de captación (EH PMIC) gestiona la energía del subsistema de captación, carga el búfer y alimenta la carga cuando se necesita, como se muestra en la Figura 4. Diferentes tecnologías de captación tienen características eléctricas distintas. Los captadores termoeléctricos producen corriente continua de bajo voltaje y son de baja impedancia; las celdas solares también producen voltaje DC bajo, pero la corriente —y por tanto la impedancia— varía con el nivel de luz.

Los EH PMICs típicos en el mercado actual tienen arquitecturas fijas y rangos de voltaje de entrada adaptados a un tipo particular de captador. Esto limita la capacidad de combinar múltiples fuentes de energía si una sola no puede cumplir el requisito del sistema. Cuando se necesitan varias fuentes, se requiere un EH PMIC dedicado para cada una, añadiendo coste, tamaño, consumo de energía y complejidad de diseño.

Algunos EH PMICs pueden ajustarse con circuitos externos para condicionar la salida de un captador. Para simplificar el diseño del sistema, los EH PMICs de Trameto —llamados OptiJoule— ofrecen entradas que se adaptan automáticamente a diversos captadores conectados y maximizan la potencia entregada al búfer, sin circuitos externos. Hay versiones disponibles para una sola entrada o hasta cuatro entradas. Las versiones multi-entrada permiten la conexión de captadores similares o diferentes. Con los dispositivos OptiJoule, la capacidad de micro-captación de energía puede escalarse, un solo PMIC puede servir a múltiples aplicaciones, y la elección de la tecnología de captación puede posponerse hasta fases posteriores del desarrollo del producto.

Conclusión

Los avances en protocolos de radio optimizados, diseño de microprocesadores de bajo consumo, sensores de baja potencia y la creciente eficiencia de la micro-captación de energía han hecho de la energía ambiental una fuente viable para reducir o eliminar baterías en dispositivos IoT edge. Los últimos desarrollos en EH PMIC proporcionan la flexibilidad para gestionar tamaño, coste y complejidad al integrar las tecnologías de micro-captación de energía seleccionadas.