モノのインターネットとは何か？電力の視点から

モノのインターネット (IoT) には、さまざまな意味があります。 ある人にとっては、Bluetooth^® low energy (BLE) 互換デバイス、例えばスマートフォンからあらゆる最新の電子機器と通信し、制御できるようになることを意味します。また他の人は、IoTは高価な資産の追跡から、予防保全のための機器の条件付き監視（産業用IoTまたはIIoTとして知られている）、医療用ウェアラブル/インプラントまで、あらゆるものに配置されたデータを大量処理し、データ分析を行うためにクラウドへ送信するユビキタスセンサーを意味します。

2006年にイギリスの数学者であるClive Humby [1]が「データは新しい石油である」と発言したことは、データ分析の驚くべき量とその周辺に構築された産業を暗示するところです。 おそらく多くの人にとって、IoTとは、トースターから窓のシェードまで、あらゆるものに「スマート」という呼び名を加えるだけのことであり、それが今日と明日の技術にとって何を意味するのかは、はっきりとはわからないにせよ、です。

電力の観点からのアプローチ

IoTは、特に遠隔監視、電気自動車/自律走行車 (EV/AV)）、航空宇宙/MILアプリケーション、その他の地上大規模 輸送 (鉄道など)などテザリングされていないアプリケーションにおいて、システムの集約とともに多くのバッテリーベースおよび低電力システムを意味します。電力の観点からは、アクセスできない、あるいは非常にコストがかかる、または危険な環境（深い油井、構造物に恒久的に埋め込まれたもの、風力発電機のタービンブレードなど）に組み込まれた無線センサーネットワーク（WSN）のユビキタス配備を意味することがあります。

また、これまで実現できなかったレベルの遠隔測定、制御、予防保全の機会も意味します。このように、IoT/IIoT は、回路そのものが低消費電力であっても、低消費電力と高電力の両方に対応できるシステムです。

IoTの「モノ」の多くは、バッテリーで駆動する低電力システムで、これらのほとんどは一次電池や非充電式電池を使用しています。近い将来、1千億個（あるいは1兆個以上）ものエンドデバイスが登場すると予想される中、この成長を支えるために毎日1億個以上のバッテリーを捨てているとしたら、埋立地の有害廃棄物という点で世界的な悲劇が訪れます。

これらの深刻な環境や持続可能性への考慮は別として、普通に考えてこれは純粋に経済的な意味で悪いビジネスと言えます。なぜなら、たとえ小型の一次電池が大量生産で非常に安価であっても、それらを交換しなければならない場合、そのコストはシステム全体の何倍にもなってしまうからです（たとえば、運用・保守費用が資本費用を大きく上回り、総所有コストの大部分を占めることもあります）。

この環境面ジレンマと、多くのデバイスの非常に低いシステムパワーバジェットが相まって、二次電池や充電池（またはコンデンサなど他のエネルギー貯蔵デバイス）の利用や、エネルギーハーベスティングとして知られる環境エネルギーの回収に価値提案がなされるようになりました。IoT/IIoT、エネルギーハーベスティング、エネルギー貯蔵、および低電力通信の融合は、パワーIoTエコシステムとして知られるものの大部分を網羅しています。

インテリジェント・パワー・マネージメント(IPM)

ほとんどの IoT/IIoT アプリケーションではバッテリ寿命を最大化することが重要ですが、これは、利用可能な電力（エネルギー源など）とシステムのパワーバジェット（負荷など）が関係します。多くのエンジニアリングの努力とリソースは、利用可能な電力を最大化し、電力コンバータの効率を高めることに注がれ、システムの電力バジェットを削減することにはあまり焦点が当てられていないようです。

なぜなら、より大きなバッテリーやより効率的な電力コンバータを使用するよりも、インテリジェント・パワー・マネージメント（IPM）技術を利用してシステムの負荷消費を最小化する機会の方が多いからです。言い換えれば、ムーアの法則により、バッテリーのエネルギー密度が増加するよりもはるかに速く、システムの電力バジェットが低下することになります。一般に、バッテリーの容量はおよそ10年ごとにしか倍増しませんが、集積回路（IC）やマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）センサーなどは、機能を高めながら、ほぼ隔年で消費電力を半減させているのです。

下図のように、エネルギー源を分母、システムの電力バジェットを分子として考えてみてください。システムの実行可能性は、この2つが交わる変曲点であり、分母を増やすよりも分子を減らす方がはるかに速いのです。言い換えれば、比率が1未満になったときです。


また、電力を使わない方法についても、多くの検討と考慮がなされるべきです。オフの状態ほど、環境にやさしく効率的なものはありません（消費電力の点から）。したがって、システムの電力バジェットを最適化する最善の方法は、アプリケーション実行のために、モノをオフまたは最小限の電力状態に維持する方法を見つけ出すことにあります。

未来を見据えた電源設計

IoT/IIoTデバイスシステムの消費電力で最も大きな割合を占めるのは無線機ですが、送信時間とスリープ時間の適切な比率を見つけることは、バッテリー寿命に大きな影響を与える可能性があります。温度センサーが1kHzでサンプリングできるとしても、そのレベルの粒度で情報を知る必要があるのでしょうか？さらに重要なことは、その量のデータを処理し、送信する必要があるのか、ということです。

コンピューティング、センサー、無線、ディスプレイ、モーター制御、エネルギー貯蔵、パワーマネジメントの統合化が進み、典型的なサイズ、重量、パワー（別名：SWaPファクター）の課題が増加しています。 従来は別々に構成されていたシステムが、システムオンチップ (SoC) や統合モータードライブシステムの負荷など、より複雑な統合コンポーネントとして結合されています。

このメッセージは、SWaPファクターが増加する一方で、個々のシステムコンポーネントを同時に削減することに言及されているため、少し矛盾しているように見えるかもしれません。実際には、これは表面的にはまったく逆説ではありません。システム設計者/インテグレータの傾向として、常に、適切で余裕のある限り多くの負荷/機能を詰め込むからです。

そのため、個々の負荷フットプリントが熱設計電力（TDP）バジェットを減少させる傾向があるとしても、システム全体の電力バジェットは常に増加する傾向にあります。そこで、パワーエレクトロニクスとエンベデッドエンジニアリングのリソースが、前述のIPM技術の実装によって、システムの電力バジェットを最小化しようとするのです。

このような統合は，部品やシステムの密度を高めるだけでなく，電源設計を複雑にしています。データセンターサーバー、通信/無線基地局、自動車、多変量センサーシステム、重要なバッテリーやバックアップ電源システムなど、個々のアプリケーションに特有の設計ルール/ニーズやニュアンスをすべて想像することができます。これらの産業やアプリケーション空間には、それぞれ独自の課題、特殊なスキルセット、規格/規制、サプライチェーン、ビジネスモデルなどが存在します。

では、これらを1つの「スマート」なモノに統合するとどうなるでしょうか。 自律走行車は、この記事で述べたあらゆるものを1つの「箱」または車両に統合しているため、この収束の典型的な例と言えます。 ここでIoT/IIoTの利点を活用し、それぞれのサブシステムでエネルギー消費を最小限に抑えながら、インテリジェンスとパフォーマンスを最大化することができます。たとえば、これらのアプリケーションにおけるWSNの利点は、ワイヤレス実装の使用によって軽減された配線1グラムあたりの燃料節約量で測られることもあります。

エネルギー効率とエネルギー供給

電源設計者にとって、エネルギー効率と整流の最適化を最優先することは大罪のように感じられるかもしれません。しかし、何としても負荷に電力を供給することが最終的に重要であるアプリケーションも存在します。例えば、産業オートメーションでは計画外の停電が深刻な結果を招くことがあり、アクセスしにくい場所や過酷な環境において、わずかな電力しか必要としないアプリケーションで特に顕著に現れます。この例として、医療用埋め込み機器やデバイス、橋や建物などの大きな構造物に埋め込まれたWSNなどが挙げられます。

ワイヤレス電力伝送（WPT）は、時には消費者の利便性のために、またエネルギー伝送の課題を解決するために近年注目を浴びてきています。一つは、多くのWPTアプリケーションがエナジーハーベスティングモダリティとして誤って分類されていることを区別することが重要です。これは意味論的な議論かもしれませんが、WPT は通常、指示された（通常はオフラインまたは壁からの）電源から電力を変換するもので、「ワイヤ」の 1 つがたまたま無線リンクであっただけです。これは、遠距離無線周波数（RF）エネルギーの真のアンビエントスカベンジングとは対照的です。

ほとんどのコンシューマ向けアプリケーションでは、WPTはエネルギー効率の面で時間の後退を意味します。なぜなら、ワイヤレス通信の非効率性が20年以上前の有線AC-DCアダプタ（別名：悪名高いウォールワート）を使用するのと同等であり、単にワイヤを接続するための小さな努力をすることができないからです。一方、固いコンクリート片に埋め込まれたIoTノードからデータを取得／処理／読み取りたい場合や、生体組織に埋め込まれたWSNにエネルギーを供給したい場合は、電力変換の非効率性に関係なく、WPTが多くの意味を持つ可能性があります。

低電力でも高絶縁が必要

システムまたはIoTデバイスが非常に低消費電力・低電圧で動作する場合でも、分離／安全特別低電圧（SELV）環境にあると仮定すべきではありません。特に、IIoTアプリケーションでは、WSNまたはIoTノードが、三相電圧で動作するおよび／または三相電圧を利用する大型機械または大電力システムに接続される場合があり、高いAC入力電圧から動作できる低ワット数の電源が必要とされます。

つまり、パワーソリューションは、広い入力電圧範囲をサポートし、何 kV もの絶縁を提供し、過電圧保護 （OVP）、過電流保護（OCP）、過熱保護（OTP）、その他多くの保護モードを必要とする場合があります。繰り返しますが，これらの設計要件はすべて，たとえ電源が 1 ワット台または 10 ワット台前半の比較的低い電力量であっても，パワーソリューションに備わっている必要があります。 これは，医療機器や医療画像処理アプリケーションなど，人が直接接触するアプリケーションにおいても重要です。

サステナビリティの現在と未来

先に述べたように、IoT/IIoTは、膨大なデータ解析、消費の最適化、条件監視による予防保全などの利用により、二酸化炭素排出量だけでなく資本／運用支出（CAPEX/OPEX）を最小化する前例のない機会を提供することが可能です。同時に、IoT/IIoTは、電池のような有害物質により前例のない廃棄物をもたらし、地球上に存在する以上の貴金属、希土類材料、有限のガスを消費する可能性もあります。

IoT/IIoT 技術とエネルギーハーベスティングの互換性は、これらの市場で最もエキサイティングで有望な共生の関係の一つです。なぜなら、周囲環境から恒常的に自己給電するセンサーシステムは理想的なシナリオであるからです。これにより、一次電池やコネクタなどの信頼性確保のためのクリティカルパスが軽減されるだけでなく、メンテナンスフリーで動作する「永遠」のシステムを実現することができます。

人生における多くの複雑な問題と同様に、重要なメッセージは、解決策や関連するビジネスや投資回収の計算に関して、絶対的で単純な解はないということです。パフォーマンスとサステナビリティを同時に最大化しようとすれば、多くの二次的な要素を考慮しなければなりません。

今後の出版物では、製品の真のフットプリント（通常、炭素排出量と水消費量のフットプリントで測定）を、原材料の確保から製造、製品の使用期間、製造後（リサイクル、有害物質の取り扱いなど）にわたる、真の包括的ライフサイクルで評価する「具体的エネルギー」または「ゆりかごから墓場まで」のライフサイクル概念について掘り下げます。

参考文献

[1] Wikipedia contributors, "Clive Humby," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Clive_Humby&oldid=1067348557 (accessed April 15, 2022).