新しいスマートエネルギーのためのコーヒー、ナノパワー、およびビルディングブロック

2011年にはスマートエネルギーに関する話題がいっぱいでした！北米では、ユーティリティーがスマートメーターをコツコツと設置していました。ブラジルでは、規制機関であるANEELに対して感じるワクワク感があり、全国的なスマートメーターの構築が求められていました。ヨーロッパでは、さまざまなユーティリティがスマートメーターからの通信のためのユニークな方法を開発していました。

興奮を加熱させたのは、ホームエリアネットワーク（HAN）ソリューションを推進しているさまざまな企業でした。将来のビジョンには、すべての洗濯機、乾燥機、冷蔵庫、さらには電球まで、エネルギー測定装置が含まれていました。各デバイスは、ZigBee、Bluetooth、または他の低電力の短距離通信プロトコルを介して、ホームルータと便利に通信することができるようになります。

2017年現在では、スマートメーターが北米の大部分とヨーロッパやアジアの多くの国に設置されています。ユーティリティは電力使用量を監視しており、近隣を歩き、手動で各メーターを読み取っていた高価なメーター読み取り者を排除しています。しかし、完全なスマートエネルギー構築のビジョンは異なります。おそらく、そのようなシステムのコストがランプを駆動するためのエネルギーコストと比較して高いため、各電球のエネルギー測定は実現していません。このエネルギーコストの割引は、コンパクトな蛍光灯やLEDなどの低エネルギー消費光源によってさらに有効になります。おそらく、私たちは、あるレベルの細かさでデータの必要性を単に最大化したのかもしれません。しかし、絶望する必要はありません。スマートエネルギーの1つのビジョンが実現しないにもかかわらず、多くの素晴らしい進歩が新しいビジョンを可能にしました。

1つの大きな例はコーヒーです。10年前、北米では、ほとんどの人とレストランがガラスや陶器のポットでコーヒーを入れ、バーナーの上に置いたままにしていました。そのバーナーはエネルギーを消費し、またゆっくりとコーヒーを調理して味をダメにしていきました。それから、コーヒーの熱をそれ自身で単に保つために、誰かが魔法瓶にコーヒーを入れるという素晴らしいアイデアを思いつきました。このステップは、コーヒーが電力網に接続されなくなったため、コーヒーを「オフライン」にしました。さらに、コーヒーを入れることはエネルギー消費を少なくし、飲み物の味がよくなります。スマートエネルギーの何と素晴らしい例でしょうか！

このコーヒーの例は、性能を最大化し、エネルギーを節約するエンジニアリングシステムのための他のコンセプトにつながります。1つの大きな進歩はナノパワーです。ナノパワーのコンセプトは、動作していないが完全にシャットダウンしていない静止状態での特定の部品の消費電流を表します。先進的なアナログCMOSプロセス技術を利用した新製品は、ほとんど測れないほどのナノアンペア電流で動作します。主な省エネルギーの利点は、まずこれらのシステムのデューティサイクリングにあります。第2に、電力消費アーキテクチャを分散させることです。以下はナノパワーの利点を提供するデバイスと回路の3つの例です。

煙検知器は、インターネット（IoT）機器の最初の1つでした。これらは電池で10年間稼動させる必要があり、電池交換がまれになり、停電時の動作が可能になります。図1は、電池、複数のDC/DCコンバータ、マイクロコントローラ、RF通信、センサ（さまざまなアーキテクチャでもよい）、およびピエゾブザーからなる典型的な最新の煙警報器を示しています。図1の表は、最新のコンポーネントに基づいて、各ブロックの消費電流の値の例を示しています。光煙センサの場合、LEDを動作させるピーク電流はmAの範囲になりますが、LEDが通常は比較的頻繁にサイクルしないので平均電流は低下します。ほとんどのアラームでは、アクティブ回路が0.05％の時間だけ空気をサンプリングします。つまり、システムは99.95％の時間、静止モードで動作します。まったく異なるデューティサイクルを持つ可能性のあるRF回路を無視すると、フルパワーモードの主回路は12.6 mAを消費します。静止期間中、主回路は5.5μAを消費します。従って、アクティブ回路による平均1秒あたりの消費電流は、12.6mA × 0.0005 = 6.3μAとなり、平均消費電流は11.8μAとなります。今では、1μAを超える静止電流がシステムの電池寿命に影響を与え始めています。約10μAの電流消費範囲では、1μAの電流消費が追加されるたびに1500mAhrの電池寿命に1年間の影響を与えます。

図1：典型的な最新の煙感知器はほとんどの場合、静止モードで動作するので、静止電流が小さいほど電池寿命は長くなります。

ナノパワーのもう1つの利点は、システム内の回路をオフにすることができる点です。このタイプのアーキテクチャでは、電池モニタリングやリアルタイムクロックなどの重要なコンポーネントはオンのままですが、マイクロコントローラやRF回路などの主要な電力消費デバイスは、ターンオフするか、最小消費電力モードに入ります。図2の回路は、電池電圧をモニタするナノパワーウィンドウコンパレータを示しています。コンパレータは、電池が許容電圧を上回るか下回った場合にのみアラームを発し、貴重な安全機能を提供し、電池寿命を延長します。システムのマイクロコントローラは、標準電流900nAで動作するコンパレータからのアラームを受信しない限り、動作する必要はありません。本質的に、これはスマートエネルギーアーキテクチャとなり、可能な限り多くのエネルギーを節約しながら、常にオンのままでなければならない機能のために特定の回路を切り離します。

図2：電池電圧をモニタリングするナノパワーウィンドウコンパレータです。

最後の例は、一般的にORダイオードの電源として知られている壁掛け電源アダプタや電池電源です。このような電源では、優れた設計者がショットキーダイオードを電池電源と直列に配置して、電圧降下を制限し、従って回路全体を保護しながらもダイオードの電力損失を制限します（図3）。例えば、Maximの新しいMAX40200は、最大1Aの電流を流すときに85mVまでの電圧降下を示し、500mAを流すと43mVの電圧降下を示します。この性能は、典型的なショットキーダイオードの2倍から4倍、優れており、数10から数百ミリワットの電池電力をスマートな方法で節約します。

図3：MAX40200は、最大1Aの電流を流すときに85mVまでの電圧降下を示します。

このすべてがどのようにコーヒーに関係しているでしょうか？コーヒーのように、アーキテクチャは変化しています。様々なサブシステムは、本質的にセントラルプロセッサから切り離され、周期的にチェックインしながら、プロセスにおけるエネルギー消費を大幅に削減します。高度な処理とアナログアーキテクチャにより、これらのビルディングブロックは、これまでにない低消費電力を実現しています。新しいスマートエネルギー運動は、エネルギー測定と通信以上のものです。新しいスマートエネルギーは、高度なコンポーネントを組み合わせて、システムの電池寿命と信頼性を向上させ、新しいアプリケーションを実現するインテリジェントなシステムアーキテクチャです。