Energy Harvesting Neue Controller für batterielose Embedded-IoT-Anwendungen

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Chiphersteller Renesas hat eine neue Familie von Energy-Harvesting-Controllern vorgestellt: Die RE-Serie verbraucht dank der hauseigenen SOTB-Prozesstechnologie sehr wenig Strom und eignet sich für batterielose IoT-Endknoten. Ein darauf abgestimmtes Evaluierungsboard soll die Entwicklung beschleunigen.

Auf Basis seiner stromsparenden SOTB-(Silicon on Thin Buried Oxide-)Prozesstechnologie hat Renesas eine Produktfamilie von Energy-Harvesting-Controllern entwickelt. Die RE-Serie ist für Embedded-IoT-Applikationen gedacht, die ohne Batterie auskommen müssen. Nach Angaben des Herstellers reduziert SOTB den Stromverbrauch sowohl im aktiven als auch im Standby-Modus drastisch. Mit den RE-Controllern aufgebaute Embedded-Produkte können sich je nach Anwendung beispielsweise allein durch Energie aus der Umgebung speisen. Sie benötigen somit weder Stromanschluss noch Batterie.

Einen solchen Ansatz verfolgt auch Enocean, ein vor allem in der Überwachung und Steuerung von Haus- und Gebäudetechnik genutzter, herstellerübergreifender Standard für batterielose Funktechnik. „Energy Harvesting spart Arbeit und Kosten, indem es die Batteriewartung überflüssig macht, und leistet einen entscheidenden Beitrag zum Umweltschutz“, erklärt Hiroto Nitta, Senior Vice President und Head of SoC Business der IoT and Infrastructure Business Unit bei Renesas. „Wir hoffen, dass unsere Lösung die Verbreitung von IoT-Anwendungen basierend auf Energy Harvesting beschleunigt.“

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ARM-Core mit bis zu 64 MHz

Die Embedded-Controller der RE01-Familie basieren auf dem R7F0E-Chip – dem ersten kommerziellen Produkt, das Renesas seit 2018 mit seiner neuen SOTB-Technologie herstellt. Zentrales Element des 32-Bit-Embedded-Controllers ist der ARM-Core Cortex-M0+. Dieser arbeitet hier mit Taktfrequenzen von bis zu 64 MHz und kann auf maximal 1,5 MByte Low-Power-Flash- sowie 256 KByte SRAM-Speicher zugreifen. So gerüstet, kann er beispielsweise Sensordaten schnell lokal verarbeiten und komplexe Analyse- und Steuerfunktionen ausführen. Laut Renesas benötigt der Chip nur 20 μA/MHz im aktiven Betrieb und lediglich 150 nA im Deep-Standby – das entspricht etwa einem Zehntel des Wertes herkömmlicher Low-Power-MCUs. Dadurch eignet sich der Controller für den Einsatz in Endgeräten, die ihre Energie aus der Umgebung gewinnen, etwa aus Licht, Vibrationen oder Strömungen von Flüssigkeiten.

Ebenfalls integriert sind ein nach eigenen Angaben extrem stromsparender 14-Bit-A/D-Wandler und ein Low-Power 2D-Grafikbeschleuniger, der Grafikdaten drehen, vergrößern oder invertieren kann. Der Controller kann mit Spannungen bis zu 1,62 V betrieben werden. Die Bausteingruppe umfasst drei Gehäuseversionen: ein 156-Pin WLBGA-Gehäuse, ein 144-Pin LQFP-Gehäuse und ein 100-Pin LQFP-Gehäuse.

Renesas ist überzeugt, dass die eigenen Energy-Harvesting-Embedded-Controller zu einer schnelleren Verbreitung von IoT-Anwendungen beitragen können. Beispiele solcher Applikationen sind Wearables und Sensoranwendungen für Haushalte, Gebäude, Fabriken und landwirtschaftliche Betriebe, bei denen ein manuelles Wechseln oder Aufladen von Batterien schwierig ist. „Energy-Harvesting-Systeme sind ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu einer intelligenten und umweltbewussten Gesellschaft“, sagt Nitta. Renesas plant demnach, SOTB als zentrale Technologie auch für zukünftige Low-Power-Lösungen einzusetzen. 2020 und darüber hinaus will das Unternehmen seine RE01-Familie sukzessive ausbauen. Angedacht sind zum Beispiel Modelle mit weniger Flash-Speicher.

Evaluierungskit mit Arduino-Interface

Renesas stellt den Bausteinen ein passendes RE01 Evaluation Kit zur Seite. Anwendern sollen damit ohne Umweg mit der System-Evaluierung für Energy-Harvesting-Anwendungen beginnen können. Das Kit beinhaltet ein Evaluierungsboard, das mit einem RE01-Embedded-Controller ausgestattet ist. Eine Arduino-kompatible Schnittstelle dient dem Anschluss und Evaluieren von Sensorplatinen. Wireless-Module lassen sich über einen Pmod-Stecker anbinden. Darüber hinaus gibt es ein Ultra-Low-Power MIP-LCD-Erweiterungsboard. MIP (Memory in Pixel) LCD ist eine Display-Technik, die keine Stromversorgung zum Anzeigen empfangener Bilder benötigt und sich daher für Anwendungen eignet, die extrem wenig Strom benötigen. Renesas liefert Treibersoftware mit, die den Cortex-Microcontroller-Software-Interface-Standard (CMSIS) unterstützt.

Weiterhin umfasst das Kit Beispielcode für unterschiedliche Anwendungszwecke, etwa extrem stromsparende A/D-Wandler, digitale Filter- und FFT-Routinen (Fast Fourier Transform), 2D-Grafik-MIP-LCD-Displays sowie Secure- Boot- und Firmware-Update-Funktionen für verbesserte Sicherheitsfunktionen. Auch Referenz-Designs für Power-Managementfunktionen sind verfügbar. Als Entwicklungsumgebung sieht Renesas IAR Embedded Workbench for ARM mit dem effizienten IAR C/C++ Compiler und e² studio mit dem kostenfreien GNU-Compiler vor. e² studio ist eine Eclipse-basierte, integrierte Entwicklungsumgebung aus eigenem Bestand.

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