能量收获成果蒸汽

能量收获得到超低功耗物联网应用激增的青睐,从库存跟踪、衣物和无人驾驶飞机,为汽车工业设置振动传感器。

机器能运行没有电池或能量可以收获从运动或环境声波或化学反应,以增加电池权力在工作一段时间。事实上,自动上发条的手表可以追溯到第一次世界大战之后,但所有这一切即将生活随着技术的提高,以及需要数万亿传感器和设备成为增长的要求物联网。

至少部分的成功可以归结为流程节点的进步,在这种情况下意味着从一个年长的节点下。在旧的节点,从一个到另一个仍然提供足够的电力/性能改进可以利用能量回收的环境。

“如果你看看90海里,大部分的IP的最低工作电压1.6伏,”罗恩·洛曼说,物联网战略营销经理Synopsys对此。“作为工程团队迁移到40 - 55纳米和微控制器,你会看到更多能量收获。例如,大多数遥控器有两个AA电池因为他们需要1.8伏特经营IC。当你搬到40 - 55岁,0.9伏,所以你可以做一个AAA电池。这就是生命的终结为碱性电池。”

另一个关键指标是0.5伏,这是典型的单一太阳能电池。随着工艺技术能够达到这个数字,和IP能够操作电压,采用应该升值。但是这个公式并不完全简单。在处理遗留技术,还必须有内部DC-to-DC转换器。

“存在效率损失,当你这样做,和相关费用,”洛曼说。“总有之间的权衡成本和额外的IP芯片上的支持。但随着科技的发展,我们将继续看到更多的创新和使用这些东西,他们用少量的能量从其他来源,太阳能、热、振动,或别的东西。”

维克Kulkarni高级副总裁和总经理有限元分析软件0.7伏特指出,作为一个关键数字。他说,最近也是2.0路线图(v2015)表明,能源收获将开始变得流行互联网的东西(埃克斯波特学院)应用程序从2019年开始,当Vdd供应开始低于。这种方法是理想的补充一个主电源,如果可用,以及提高整个系统的可靠性,他指出。

“许多实际的应用程序使用能量收集系统力量现在变得实用,尤其是在物联网节点网络边缘,”Kulkarni说。“例如,无线传感器节点(WSN)网络系统,如无线个域网理想需要能量收获电源。这是尤其如此,在MEMS的行业组织定义为trillion-sensor世界,当世界上所有的连接和无线节点在远程站点必须依靠能源获取的能量来源。收获能量功率小的传感器和微机电系统”。

Kulkarni认为物联网设备针对健康和卫生保健的第一代应用程序将开始使用热电能源收集基于人体和环境温度之间的差。这种方法通常可以产生大约10到20毫瓦每平方厘米的身体表面。

与众不同的想法
但收获能量投入到实际工作中需要以不同的方式寻找一个设计,。

“你必须建立系统,本质上是正常起飞,”说,首席技术官超音速。硬币的“绝对对面的人想把功能第一,回去后和思考他们可以关闭。这是完全相反。它更像是,‘最低我需要什么?'然后你分析说,‘是,已经太多了,给多少能量能有效收获吗?”

它还需要多少能量的理解可以存储的时候没有收获,因为大多数系统不不断获取能量。这些系统需要运动、光或收获能量存储,备份,通常以一个或多个任务周期。太阳能灯,例如。用户想要输出的最大光可能在黄昏后几个小时,所以在半夜电池耗尽,没有人在乎,因为使用模型支持。

“如果我是做太阳能收获的东西真的只有与它的环境一天一次,那么我不需要这样做,”Wingard说。”,但绝大多数的能量收集应用程序有责任周期要短得多,这是他们不能接受的一天只需要一个测量,或沟通上游一天一次。在这种情况下,你最终拥有的能量使用成为一个一流的问题。你从一张白纸开始,确定最少的晶体管数量,可以放入设计的一部分,总是在。“他们是什么?你确定要吗?你从那里建立功能。这就是你说的环境,“我不关心权力。我关心的能量。如果把整个事情在很短的时间内你可以尽快完成工作,并把它所有后退是最低的方法,那就是你做的。 That’s a very different mindset.”

Wingard指出,手表行业做了大量的工作在1980年代使用的亚阈值的概念,对小功率电路。“这一切是真实的,将是非常宝贵的能源采集电路本身,而且在你考虑如何融入现有通信系统已经预定义的占空比。这很难。”

小功率电路技术可能会利用在许多其他设备,但电路必须energy-optimized得多。“你要做自主国家控制,Wingard说。”从本质上讲,每个实质性操作结束时,你要想关闭后,这可能意味着你不能用一个微处理器。如果你不能使用单片机,你将不得不做硬件,所以你开始思考你构建系统的基本构建块是本质上的东西知道什么时候感到安全关闭自己的硬件信号。”

一种方法将这些碎片拼凑起来的整体管理系统是使用能源处理单元,汇集了活动和静态功耗节省技术,加上连续可以扩展和重复使用的一种方法提纯。

工程的挑战
虽然能量收获的好处是有趣的,Ansys Kulkarni指出一些工程挑战。其中包括:

•发电来源。这需要一个超低电压DC / DC升压变换器和作用于输入电压与2.2 v低至20 mv V-LDO电源单片机。
•能源储存、大小和成本。
•增加了设计的复杂性。

有几种技术,如dvf,可以产生相当大的节约能源,但IP网络的设计者必须了解集成组件,工作负载,智能分区,等等。此外,从侵略者单片机衬底噪声注入到射频部分必须仔细分析,因为它可导致显著的干扰降低信噪比。适当的建模近门槛设备操作在本例中是至关重要的。

这些数字领域以外的挑战,。“在太阳能电池板庭院灯,例如,从根本上这些系统收集能源在很长一段时间,然后部署时,它是如何需要结束时,“杰夫·米勒说,产品营销经理导师图形。“他们都有相同的基本组件。有收割机,一些电子元件,需要收集能量,也就是不同的电压,一般可用少量的权力。然后将其放入某种存储设备如电池或超级电容器之类的,并使用它在更短的爆炸。”

遥感应用程序被视为下一个大的司机的能量收获。,包括衣物,可以利用运动,或进入机械设备的事情,可以依靠某种程度的振动,如被放置在卡车轮胎或建筑设备,甚至在暖通空调系统中风机附近。很多时候这些系统本质上必须把自己在沉睡,直到足够的能量收获,这样他们就可以做一件事,无论是取测量一个点或发送一包数据备份网关最终发送到云,米勒说。

“有这个元素的爆炸活动,你在哪里你收集燃烧所有的权力,那么这个漫长的等待当你重新构建它,”他说。“这一比例取决于系统,在院子里光线的情况下,你有八个小时的积累,和三个小时的放电。在振动收割机可能是一分钟的累积和放电的微秒。这是地图,根据系统”。

支持技术
使能量收获之苦,有很多技术加快速度,包括阈电压的方法,从记忆和逻辑库和运营能力极低的电压,洛曼指出。“电压是减少整体能源中最重要的部分,因为这是一个平方函数的能量计算,这是最重要的一个部分。”

近距离工作与铸造厂允许移植技术,使铸造厂,但它也保证了接口和模拟IP可以支持适当的电压水平,这些流程的支持,他说。

当设计工程师确定他们有最少的周期,利用可用的工具是第一步。之后,必须理解应用程序时需要利用适当的低功耗模式,适当的指令集,甚至为硬件加速开发自定义指令集。

“如果你看今天的大学,一个主要是关注很多硬件加速来完成这些类型的函数,它的能源效率,严格严格获得更好的性能,”洛曼说。“我们看到大量的异构处理在不同的设计,所以会有多个核心做独立的任务,可以优化对权力和完成特定的任务,而不是大量的软件开销做事效率低下。在你现有的架构,人们需要添加新的功能,他们最终仅仅增加的频率处理器和添加这些功能。但是如果你设计更聪明,你可以减少频率和添加硬件加速完成常见任务。当然,这样做在非常低的电压与逻辑内存库和编译器支持——结合非常有效地支持能源获取应用程序。”

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