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Selbststartender Chip kommt auch ohne Batterie aus : Ausgabe 10/2018, 13.06.2018

Kleinere und billigere IoT-Komponenten

IoT-Komponenten müssen nicht nur wenig Platz in Anspruch nehmen und billig in der Herstellung sein, sondern sie sollten vor allen Dingen ohne externe Batterie auskommen und möglichst lange autonom funktionieren können. Ein neue Entwicklung macht dies möglich.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: National University of Singapore

Das Internet of Things (IoT) ist zwar erst im Anfangsstadium, aber dieses Konzept formt bereits viele Industrien und wird auch unser tägliches Leben nachhaltig beeinflussen. Um das IoT vom Konzept in die reale Welt zu bewegen, muss eine Langzeitfunktion der entsprechenden Komponenten mit sehr limitierten Energiequellen gesichert sein. Das bedeutet eine extrem hohe Leistungseffizienz.IoT-Komponenten, wie Sensoren, werden oft massenweise an Orten eingesetzt, die in der Regel weit entfernt sind und sich für einen regelmässigen Service sehr schlecht eignen. Eine Eigenständigkeit ist damit unerlässlich.

Batterien verursachen Mehrkosten

Derzeit sind Batterien in IoT-Komponenten wesentlich grösser und etwa dreimal so teuer wie der Chip selbst, den sie mit Energie versorgen. Die Batteriegrösse wird durch die Lebenszeit des Sensornodes bestimmt. Das bestimmt wiederum den Batteriewechselzyklus. Diese Rückwirkungen auf die Servicekosten und den Einfluss der Batterieentsorgung auf die Umwelt sollten dabei auf keinen Fall übersehen werden. Um die Gesamtlebenszeit der IoT-Komponenten zu maximieren, wird die Batterie durch das limitierte Energieernten aus der Umgebung langsam geladen, wie durch Solarzellen. Aber bereits vorhandene IoT können ohne Batterie nicht einwandfrei funktionieren und kleine Batterien werden öfter ganz entladen. Damit verursacht die Batterieminiaturisierung öfter Betriebsausfälle.

Chip verfügt über eine besondere Powermanagementtechnik

Um diesen Technologienachteil zu beheben, entwickelte ein Expertenteam der National University of Singapore (NUS) unter Leitung von Professor Massimo Alioto vom Department of Electrical and Computer Engineering einen innovativen Mikrochip mit der Bezeichnung BATLESS, der auch dann funktioniert, wenn die Batterie keine Energie mehr liefern kann. Der neue Chip verfügt über eine besondere Powermanagementtechnik, durch die der Chip unter anderem selbst startet und seine Funktion ohne Batterie auch unter schwachem Licht aufrechterhält. Das ermöglicht eine winzige On-Chip-Solarzelle.

Dieser Forschungserfolg reduziert die Grös­se der Batterien, die die IoT-Sensornodes mit Energie versorgen, erheblich. Die Forscher sind der Meinung, dass derartige Batterien nicht nur 10 Mal kleiner als bisher werden, sondern auch kostengünstiger zu fertigen sind. Vorgestellt wurde dieser Durchbruch während der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018 in San Francisco. Durch die Batterieunabhängigkeit können IoT-Komponenten auch dann funktionieren, wenn die Batterie erschöpft ist. Das wird durch zwei unterschiedliche Betriebsarten gewährleistet – minimale Energie und minimale Leistung.

Zwei Betriebszustände bieten Vorteile

Steht Batterieenergie zur Verfügung, arbeitet der Chip im Minimumenergiemodus, um die Batterielebenszeit zu optimieren. Ist die Batterie entladen, schaltet der Chip in den Minimumleistungsmodus und funktioniert noch mit nur etwa 0,5 nW. Diese minimale Leistung kann durch eine sehr kleine On-Chip-Solarzelle mit einer Fläche von etwa 0,5 mm2 geliefert werden. Oder aber diese Energie kommt aus der Umgebung, wie Vibration oder Wärme.

Dass der Chip zwischen den beiden Betriebsarten schalten kann, bringt eine erhebliche Batterieminiaturisierung von Zentimetern zu wenigen Millimetern mit sich. Der BATLESS-Chip kann nunmehr kontinuierlich messen, verarbeiten, erfassen und interessante Aktionen mit einem Zeitstempel versehen. Und wenn die Batterie wieder verfügbar ist, lassen sich die Daten in die Cloud übertragen.

Auch ohne Batterie funktioniert der Chip ausreichend

Selbst wenn der neue Chip ohne Batterie arbeitet, ist die reduzierte Geschwindigkeit der Chipfunktionen für zahllose IoT-Applikationen immer noch ausreichend, wenn es zum Beispiel um die Parameter Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht und Druck gehen sollte. Neben zahlreichen anderen Applikationen eignet sich der neue Chip besonders vorteilhaft für Gebäude, Umweltmessungen, Energiemanagement und die Adaption von Wohnungen an die Bedürfnisse der Bewohner.

Prof. Alioto: «BATLESS ist das erste Beispiel einer neuen Chipklasse, die nicht unbedingt auf eine Batterieladung angewiesen ist. In der Betriebsart minimale Leistung verbraucht der Chip im Vergleich zu den besten vorhandenen Mikrocontrollern mit fester minimaler Energiefunktion 1000 bis 100 000 Mal weniger Leistung. Zur gleichen Zeit kann unser 16-Bit-Mikrocontroller auch 100 000 Mal schneller funktionieren als die erwähnten aktuellen Mikrocontroller.»

Automatischer Funktionsstart

Der BATLESS-Chip verfügt auch über eine neue Powermanagementtechnik, durch die die Chipfunktionen automatisch starten, während die winzige Solarzelle die notwendige Energie ohne Batterie dazu liefert. Das Forscherteam demonstrierte dieses Verhalten im Gebäude mit einer 50 Lux Lichtintensität, die einer Nanowattleistung entspricht. Derzeit untersuchen die Forscher neue Lösungen für komplett batterieindifferente Systeme, die die gesamte Signalkette vom Sensor bis zur Funkkommunikation abdecken. 

Infoservice


National University of Singapore
21 Lower Kent Ridge Road, Singapore 119077
Tel. 0065 6516 66 66
www.nus.edu.sg



Der BATLESS-Chip im Grössenvergleich


Professor Massimo Alioto (Mitte) und sein Team entwickelten den smarten, selbststartenden Mikrochip BATLESS