Drahtlose Sensor-Lösungen

Moderne Low-Power-Sensoren ermöglichen die präzise lokale, ferngesteuerte oder autonome Steuerung in einer Vielzahl von Einsatzgebieten. Sie sind Schlüsselkomponenten für einen riesigen Anwendungsbereich mit globalen Märkten. Zentrales Merkmal dieser Sensoren ist, dass die Energy-Harvesting-Technologie ihre Funktion ohne Netzanschluss oder Batteriewechsel ermöglicht. Das Energy-Harvesting-Element wird als Energiequelle im Blockschaltbild eines typischen Sensors mit sehr geringer Leistungsaufnahme in Bild 1 gezeigt.

Abbildung 1: Blockschaltbild eines typischen Sensors mit sehr geringer Leistungsaufnahme und Energy-Harvesting-Versorgung.

Ein autarker Sensor enthält folgende Systemelemente:

• Energy Harvester
• Sensor(en)
• Energiespeicher
• Energieverwaltung (Power-Management)
• Mikrocontroller
• Drahtloses Konnektivitätselement

Eine der zentralen Herausforderungen beim Entwurf eines solchen Sensorsystems ist die Einhaltung des Energie- Budgets (Betriebsspannung; Spitzen-, Ruhe- und Durchschnitts-Betriebsströme).

Es gibt so viele verschiedene Typen und Hersteller von Miniatursensoren zur Messung physikalischer Größen - eine Größenordnung, die hier nicht thematisiert werden kann. Zu den Lieferanten von MEMS-Chips gehören unter anderem: STMicroelectronics, Bosch Sensortec, Texas Instruments, NXP, Analog Devices, Seiko Epson, Infineon Technologies, Murata, Sensata und Melexis.

Wie bereits erwähnt, benötigen drahtlose Sensorlösungen mit sehr geringem Stromverbrauch aufgrund der variablen Spannungs- und Stromzustände eine Energieverwaltung. Dieses Bauteil wandelt die angelieferten ungeregelten Spannungen und Ströme in geregelte elektrische Energie um, die gespeichert werden kann. Es kann auch Energie an die Systemlast mit der richtigen Spannung durchreichen. Typischerweise enthält der Power- Management-Chip Schaltungen zum Schutz sowohl der Last als auch der Energiespeicher:

• Unterspannungssperre – Diese Schutzschaltung unterbricht die Stromversorgung der Last und schaltet auf Erhaltungsladung des Energiespeichers, wenn die Ausgangsspannung des Energy Harvesters zu niedrig wird. Diese Fähigkeit ist wichtig, um den Akku vor zu starker Entladung zu schützen, da er dauerhaft beschädigt werden kann oder einen Teil bzw. die gesamte Speicherkapazität verliert.
• Überspannungsschutz – Diese Funktion überwacht die Ladespannung. Wenn die Spannung zu hoch wird, leitet der Power-Management-Chip entweder die überschüssige Ladung auf Masse oder fügt elektronisch eine hohe Impedanz zwischen den Harvester und den Energiespeicher ein. Welche Methode auch immer verwendet wird, es geht um den Schutz des Energiespeichers.
• Überstromschutz – Diese Schutzschaltung hat eine ähnliche Funktion wie eine Haushaltssicherung. Wenn die Last zu viel Strom zieht, isoliert sie der Überstromkreis von der Batterie und stellt sicher, dass sie nicht tiefentladen wird. Wenn diese Funktion aktiviert wird, liegt normalerweise ein Fehlerzustand im System vor.

Ein Beispiel für einen Power-Management-Chip ist der MAX20361 von Maxim Integrated. Es ist ein vollständig integrierter Steuerungs-Chip für die Gewinnung von Energie aus ein- oder mehrzelligen Solar-Quellen. Das Gerät benötigt einen Ruhestrom von 360nA, verfügt über einen Aufwärtswandler, der ab 225mV (typ.) startet. Um die von der Quelle gelieferte Leistung optimal zu nutzen, verfügt der MAX20361 über eine proprietäre sogenannte maximale Leistungs-Punkt-Verfolgungstechnik (MPPT), die eine effiziente Verarbeitung von 15μW bis über 300mW verfügbarer Eingangsleistung erlaubt. Der MAX20361 verfügt außerdem über eine integrierte Ladefunktion mit Schutzschaltung, die für Li-Ion-Batterien optimiert ist. Der Chip kann aber auch zum Aufladen von Superkondensatoren, Dünnfilm-Batterien oder herkömmlichen Kondensatoren verwendet werden. Die Ladeschaltung integriert eine programmierbare Ladeabschaltung. Eine Beschreibung des MAX20361-Evaluation-Kits (Bild 5) findet man im RS-DesignSpark-Web.

Abbildung: MAX20361-Evaluation-Kit. Dieser Chip ist ein vollständig integrierter Steuerungs-Chip für die Gewinnung von Energie aus ein- oder mehrzelligen Solar-Quellen.

Die Versorgungsspannungs-Anforderungen der MCU werden von den leistungsgesteuerten Run-Modi nicht beeinflusst. Der Betrieb ist immer über den gesamten Bereich von 1,8V bis 3,6V des Bauteils zulässig. Allerdings hängen die Taktfrequenzen, die im High-, Middle- und Low-Speed-Modus verwendbar sind, von der Versorgungsspannung ab.

In den energiesparenden Sleep-, Deep-Sleep- und Software-Standby-Modi der MCU werden verschiedene On-Chip- Funktionen gestoppt oder heruntergefahren:

• Schlafmodus – Die CPU wird mit gespeicherten Daten gestoppt. Dadurch wird der dynamische Stromverbrauch der CPU reduziert, der wesentlich zum Gesamtbetriebsstrom der MCU beiträgt. Die CPU wacht in 0,21μs bei 32-MHz-Taktung wieder auf.
• Tiefschlaf-Modus – CPU, RAM und Flash-Speicher werden gestoppt, wobei die Daten erhalten bleiben. Bei 32MHz mit mehreren aktiven Peripheriegeräten beträgt der typische Betriebsstrom 4,6mA. Der Chip benötigt 2,24μs, damit die CPU aus dem Deep-Sleep-Modus aufwacht und in den Run-Modus wechselt.
• Software-Standby-Modus – PLL und alle Oszillatoren außer Sub-Clock und IWDT (Independent Watchdog Timer) werden gestoppt. Fast alle Module der RX111-CPU, SRAM, Flash, DTC (Data Transfer Controller) und Peripherieblöcke werden gestoppt, wobei die Daten erhalten bleiben. Die Power-on-Reset-Schaltung bleibt betriebsbereit. Auch können bei Bedarf die IWDT-, RTC- und LVD-Module (Low Voltage Detection) betrieben werden. Der Stromverbrauch in diesem Modus beträgt 350nA bis 790nA, je nachdem, ob die LVD- und RTCFunktionen verwendet werden. Beim Aufwachen im 4-MHz-Run-Modus beginnt der CPU-Betrieb nach einer Verzögerung von 4,8μs. Beim Aufwachen im schnellen 32-MHz-Modus verlängert sich die Wartezeit auf 40μs.

Obwohl die Modi Sleep, Deep Sleep und Software Standby der RX111-MCU sehr hilfreich sind, um den Stromverbrauch zu senken, können andere Techniken weitere Leistungsreduzierungen erzielen. Beispielsweise können verschiedene Taktsignal-Frequenz- Teilungsverhältnisse individuell eingestellt werden. Darüber hinaus verfügt jedes Peripheriemodul im RX111 über ein separates Stop-Steuerbit.