Subthreshold Leakage Voltage Supervisor für den wartungsfreien Betrieb umgebungsenergieversorgter Sensorknoten

Die Nutzung von Umgebungsenergie ermöglicht bei einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen drahtloser Sensorknoten eine autarke Energieversorgung. Wartungseingriffe sowie unvorhergesehene Energieengpässe begrenzen den autarken Einsatz derartiger Sensorknoten oder erfordern eine deutliche Überdimensionierung der Energy Harvester und Energiespeicher. Anwendungen, wie der Einsatz in unzugänglichen Bereichen, Sensornetzwerken mit einer großen Anzahl von Knoten oder sehr kleinen Knoten / Smart Dust, können unwirtschaftlich werden, wenn kein wartungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Erreicht ein drahtloser Sensorknoten einen energetisch niedrigen Zustand, ist es für einen erneuten Start erforderlich, dass zusätzlich zu einer ausreichenden Spannung genügend Energie für den Startvorgang zur Verfügung steht. Bei zu zeitiger Aktivierung wird der Startvorgang aufgrund der einbrechenden Spannung nicht abgeschlossen und verhindert die Aufnahme des Betriebs. Ein Voltage Supervisor wird benötigt, um den Startvorgang so lange zu verzögern, bis ausreichend Energie für diesen zur Verfügung steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Voltage Supervisor für das Energiemanagement umgebungsenergieversorgter Sensorknoten vorgeschlagen. Die Herausforderungen liegen in der Realisierung einer definierten Abschalt- und Startcharakteristik, auch bei langsamen oder variablen Spannungsanstiegen, in der Implementierung einer Kaltstartfähigkeit und im zuverlässigen Schaltverhalten unter widrigen Umgebungsbedingungen oder niedrigem Energieeintrag. Für eine hohe Effizienz wird bei jeder Spannung ein geringer Eigenleistungsverbrauch gefordert. Im Ergebnis wird ein Konzept vorgestellt, welches einen zuverlässigen wartungsfreien Betrieb ermöglicht. Funktionen, wie die Abschaltung des Mikrocontrollers nach Erledigung der Aufgabe, ermöglichen darüber hinaus, weniger Energie als im Schlafmodus zu verbrauchen. Mit dieser Methode kann ein intermittierender Betrieb in Abhängigkeit der verfügbaren Energie realisiert werden. Simulation, experimentelle Untersuchung und die Einbettung in einen umgebungsversorgten drahtlosen Sensorknoten validieren die Funktionsfähigkeit unter allen gestellten Anforderungen. Der mittlere Eigenleistungsverbrauch der vorgeschlagenen Schaltung liegt bei 5,58 µW. Bei niedrigen Spannungen von 0 V - 1,4 V werden lediglich 568 nW benötigt.