ウェアラブル設計向けの環境発電技術の評価

広範なウェアラブル電子製品が過去数年間にわたって出現しており、共通の主題の1つは電池寿命です。 多くのスマートウォッチを毎日充電する必要がある一方で、より多くの専用フィットネスデバイスは動作時間が長くなっているものの、機能やコネクティビティは少なくなっています。 インターネットや、モノのインターネットにおけるその他デバイスへのコネクティビティに対する需要が増大している中で、設計のワイヤレスと計算要素の両方向けの電力の需要が高まっています。 同様に、電力を低減するスクリーン技術に進歩がありますが、より豊かなユーザーインターフェースへの高まるニーズは、こうしたデバイスの電力要件を推進しています。

この課題に対処する方法の1つとして、環境からエネルギーを採取する環境発電技術の使用の増加があります。 これは、ウェアラブルデバイスが、充電から次の充電までの間の動作時間を長くし、最終設計の魅力を高めることができるように、電池の規則的なトリクル電流を供給するように使用することができます。

しかし、これらの技術を使用する際に、生成される電力、その電力の管理および貯蔵、ハーベスティングエレメントのサイズ、そしてコストの4つのエンジニアリング上の課題があります。 エネルギー採取の新方法について多くの研究が長年にわたって行われていますが、この多くは商用デバイスとして市場にまだ到達していません。

ウェアラブルデバイスは、体への固有の近接が複数の電力源へのアクセスを提供するため、いくつかの主要な利点を備えています。

電力の生成

ウェアラブルデバイス向けに環境から電力を生成する複数の方法があり、これらのすべての方法には、エンジニアリング上の異なる利点や課題があります。 最もよく確立した方法の1つには、従来のウォッチの給電に長年使用されている太陽エネルギーがあります。 Panasonic BSGが提供するAmortonなどの太陽電池や、IXYSのデバイスは、昼光からの、そして現在では屋内照明からのすぐに使用できる電力源を提供します。 これらは、Silicon Labsの開発キットが実証しているように、低デューティサイクルを使用して最大15年間ワイヤレスリンクを駆動するのに十分な電力を生成することができます。



これはまた、わずか0.17mmの電池高さで非常に薄型であり、これはウェアラブル設計のもう1つの主要考慮事項です。 ここで、低電力コントローラが重要です。Si1012ワイヤレスMCUは、わずか50nAの消費電流での低電力状態を保持することができます。 環境発電源のリーク電流は、イネーブル時に約3µAで、太陽電池へ差し込むわずか50ルクスによって打ち消されます。 これにより、環境発電源は、暗がりの中で最大7日間、または失ったエネルギーを補充する定期的な光源がある場合は無期限にシステムに給電することができます。 このシステムは、200ルクスの屋内照明と、10,000ルクスの屋外照明の両方で動作します。

しかし、これは全体のシステム電力要件ではなく、ワイヤレス接続のみに焦点を当てています。 定期的な測定を行い、それらを中央ハブにフィードバックしているフィットネスデバイスにとって、これは長寿命の理想的なアプローチです。

スマートウォッチなどの中央ハブは、より高電流を求めており、その他の技術が評価されています。 これらの1つは、体熱から採取される熱エネルギーです。 ウォッチは肌に近いため、電力は、ペルチェ効果およびゼーベック効果を使用して温度差から生成可能です。 商用の熱電デバイスは現在、体と接触している時に5度の温度差から10～20μW/cm²の電力を生成することができます。 2つまたは3つのこのようなデバイスは、ヘルスモニタリングシステムの電力要件を満たすことができます。

韓国にあるKAIST研究所の研究者チームは、有機基板で無機材料を組み合わせることで非常に軽量で柔軟性がある熱電発電機を開発しました。 ファブリック基板は、最大20mmの曲げ半径を備え、非常に柔軟性があるため、肌の隣でウェアラブル設計で使用することができ、基板は柔軟性があるため性能変化はありません。


この発電機は、ファブリックにプリントされるn型（Bi2Te3）およびp型（Sb2Te3）熱電材料の特別なペーストを使用しています。 これらのペーストは、ファブリックでのファイバをカバーし、数百ミクロンの厚さの範囲のTE材料のフィルムを形成します。 これにより、電力を生成する数百の熱電点が作成され、研究者は、発電機の重量を約0.13g/cm²に大幅に低減することができました。 リストバンドでの10cm x 10cmの寸法のプロトタイプ発電機は、約40mWの電力を生成します。

また、ウェアラブルデバイスは多くの場合進行中で、異なる方法で電池を再充電するための発電の新しい方法を提供しています。 このデバイス自身の動きは、Measurement SpecialtiesのMSP1006などの圧電振動センサを使用して電力を提供するのに利用できます。 ユーザーの動きの共振周波数（通常約100Hz）にセンサが同調される時、センサは電力供給に使用されることができます。 このアイデアは新しいものではなく、数十年にわたって自動巻きのウォッチに使用されていますが、圧電結晶の屈曲を使用すると、電力を生成することができます。 材料でのファイバの動きによって生成された電荷のキャプチャを含む、環境発電に動きを使用するという新方法はまた、研究されています。


研究室では依然として、電力採取のために無線送信によって生成される電界を使用する可能性について研究されています。 ワイヤレスネットワークが至る所に存在するようになる中で、ポータブルおよびウェアラブルデバイス向けにこの電力を採取する機会があります。 しかし、これはまだ初期の段階であり、ワイヤレス電力の機会の多くは、充電ケーブルの必要性を取り除き、ウェアラブルデバイスを単に充電プレートに配置するだけでウェアラブルデバイスの再充電を可能にすることにあります。

管理および貯蔵

太陽電池または振動センサによって電力が生成された後でも、克服すべき複数の課題がまだあります。 生成される電流は非常に低く、断続的である可能性があり、使用できる前に収集される必要があります。 同様に、電池からの電流は、ウェアラブル設計でのシリコンへの給電のために管理される必要があります。 これには、こうした低電流で使用可能な環境発電アプリケーション向けに最適化された、新世代の電源管理チップを備えた、スーパーキャパシタから電池に至る貯蔵要素の組み合わせが必要です。

より高密度の新しい電池技術は、バッテリケミストリを損傷させることなく環境発電源のトリクル充電を使用し、依然としてスモールフォームファクタで電力を提供することが可能なウェアラブルシステム向けに開発されています。

Linear Technologyは、汎用の環境発電デモンストレーションボードを開発しました。このデモンストレーションボードにより、ウェアラブルシステムの開発者は、すべての異なる種類の環境発電源や、それぞれの環境発電源において電源管理がどのように異なるかを評価することができます。 DC2048Aは、設計の初期段階で、圧電、ソーラー、熱発電エネルギー源またはいかなる高インピーダンスACまたはDC源をも使用することができます。

この評価ボードには、異なるソースおよび管理を扱うために、4つの独立したチップが含まれています。 LTC3588-1圧電体環境発電電源は、圧電またはソーラーなどの高出力インピーダンスエネルギー源向けに、低損失の全波ブリッジ整流器と高効率の降圧コンバータを一体化しています。 この製品には、蓄積された電荷の一部を降圧コンバータがパワーマネージャに効率的に移動するまで、入力コンデンサに電荷が蓄積可能なように、広いヒステリシスウィンドウを持つ超低静止電流不足電圧ロックアウト（UVLO）モードが含まれています。 4つの出力電圧（1.8V、2.5V、3.3V、3.6V）がピン選択可能で、最大100mAの連続出力電流を供給できますが、出力コンデンサを選択すれば、スマートウォッチなどのより高性能設計向けに、さらに大量の出力電流バーストを供給することができます。 20Vに設定された入力保護用シャントにより、所定の入力容量により大きなエネルギーを蓄積できます。

一方、LTC3108は超低電圧DC/DC昇圧コンバータで、熱電発電機に使用可能です。 このステップアップトポロジは最小20mVの入力電圧で動作し、外部マイクロプロセッサに給電するために2.2VのLDOを使用する一方で、メイン出力は、4つの固定電圧の1つにプログラムされ、ワイヤレスリンクに給電することができます。 ストレージコンデンサは、入力電圧源が利用できない時に電力を提供し、その設計は、電力供給を平滑化するために、出力リザーバコンデンサの高速充電時間を確保します。


評価ボードでのその他のデバイスには、電力点制御およびLDOレギュレータを備えたLTC3105昇圧DC/DCコンバータや、LTC3459 10Vマイクロパワー同期整流式昇圧コンバータ、そして開発者が電力供給を綿密にモニタできるパワーフェイル出力用の選択可能な閾値を含むLTC2935-2/LTC2935-4超低電力スーパーバイザがあります。 これらすべては、異なる環境発電源でさまざまな電源管理方式の評価を可能にします。

ボードへのトランスデューサの接続を容易にする複数のインターフェースおよびトランスデューサヘッダがあり、さまざまな方法でボードを構成することが可能なジャンパがあります。 ボード向けの標準のビルドでは、可能性のある10個のジャンパのうち3つのジャンパが取り付けられています。

サイズおよびコスト

これらの技術はある程度確立していますが、ウェアラブル設計に向けた課題は、コストを増加させずに容量を増やしつつもフォームファクタを低減することです。 新しいバッテリケミストリにより、より高容量で薄型の電池が実現しており、これは、サイズや重量が厳しく制限されているウェアラブル設計で電池寿命の延長に寄与します。 新しい材料および製造技術が適用されている中で、ペルチェおよびゼーベック効果の熱電発電機は、サイズが低減しています。それとともに、太陽電池技術はまた、より多くのセルを設計で使用可能にし、より多くの電力を提供するために、効率向上と重量低減を実現しています。

設計の中核にあるシリコンデバイスはまた、サイズと消費電力を低減しています。 消費電力および電圧が低下する中で、マイクロプロセッサ、ワイヤレスノードおよび電源管理チップはすべて、ダイ面積を低減しているため、設計者は、より多くの部品をウェアラブル設計に組み込むことができます。

結論

ウェアラブル機器の開発者は、環境からエネルギーを採取するのに多くのソースが利用でき、電池寿命および高性能の要件は、研究者による新たなアプローチの探究を推進しています。 ソーラー、熱または振動エネルギーの使用は、シンプルなフィットネスセンサから、多くの他のデバイス向けのハブとして機能するフル機能のスマートウォッチに至る、ウェアラブル設計の電池寿命を延長する新しい方法を提供することができます。 しかし、これは話の半分にすぎません。 電池技術および電源管理における開発が、これらのソースに適合されて、全体の設計を通じて最適化可能な電源が提供されます。 これにより、ウェアラブル技術の機能について妥協することなく、充電から次の充電までの間のデバイス動作時間を数日、数週間または数か月に延ばすことができます。