Оглавление
С ростом использования устройств IoT в промышленном оборудовании, домашней автоматизации и медицине, возрастает потребность в оптимизации элементов управления питанием — либо за счет уменьшения размеров, повышения эффективности, снижения энергопотребления или сокращения времени зарядки. Все это должно быть достигнуто одновременно, причем в небольшом модуле. Это, в свою очередь, не должно отрицательно сказываться на терморежимах или мешать беспроводной связи, осуществляемой этими устройствами.
Область IoT существует в различных формах. Этот термин относится к интеллектуальному, подключенному к сети электронному оборудованию, которое часто питается от батарей и отправляет предварительно рассчитанные данные в облачную инфраструктуру. Использует сочетание встроенных систем, таких как процессоры, коммуникационные чипы и датчики, для сбора, реагирования и доставки информации в центральную точку или другой узел в сети. Это может быть что угодно, от простого датчика температуры, который сообщает о температуре в помещении в основную систему мониторинга помещения, до монитора состояния механизмов, который отслеживает долгосрочное состояние очень дорогого оборудования на заводе.
В конечном счете, эти устройства разрабатываются для решения конкретной задачи. Например, для автоматизации дел которые обычно требуют вмешательства человека, таких как автоматизация дома или здания, или для повышения удобства использования и долговечности оборудования для промышленных устройств IoT. Или для повышения безопасности, если рассматривать устройства следящие за состоянием окружающей среды, реализованные в таких конструкциях, как мосты или дамбы.
Примеры использования IoT-устройств
Области использования IoT-устройств практически безграничны, каждый день изобретаются новые объекты и варианты использования. Устройства на основе интеллектуальных передатчиков собирают данные об окружающей среде в которой они находятся, чтобы принимать решения об управлении обогревом, срабатывании сигнализации или автоматизации определенных операций.
Кроме того, портативные приборы, такие как газовые счетчики и системы измерения качества воздуха, обеспечивают максимально точные оценки, загружая их через облако в центр управления. Другое использование — системы GPS-слежения. Они позволяют контролировать, например, транспортные контейнеры, а также домашних животных с помощью смарт-тегов. Они охватывают лишь небольшую площадь устройств, подключенных к облачному хранилищу. Другими областями применения являются медицинские устройства для ношения на теле.
Значительной областью роста IoT являются промышленные устройства, что являются частью так называемой «четвертой промышленной революции», в основе которой лежат умные фабрики. Существует широкий спектр IoT, которые в конечном итоге пытаются механизировать как можно большую часть предприятия, будь то автоматизированные управляемые транспортные средства (AGV), интеллектуальные датчики, такие как радиочастотные метки, или какие-то датчики окружающей среды, размещенные вокруг зданий.
Высокий уровень интереса к IoT связан с пятью ключевыми концепциями:
- Smart Health — поддержка мониторинга показателей жизнедеятельности как на клиническом, так и на потребительском уровне;
- Smart plant — построение Индустрии 4.0 за счет повышения скорости реагирования, гибкости и создания более экономичных заводов;
- Smart city — использование модулей для защиты зданий, определения занятости парковки, а также теплового и электрического контроля;
- Smart Farming — использование доступных технологий для автоматизации ведения сельского хозяйства и более эффективного использования ресурсов;
- Smart building — на основе технологии мониторинга отслеживания движения и состояния различных сооружений.
Проблемы проектирования Интернета вещей
С какими ключевыми проблемами сталкивается разработчик в постоянно растущем пространстве приложений IoT? Большинство этих устройств и узлов устанавливаются постфактум или в труднодоступных местах, поэтому подключение к ним питания невозможно. Значит они полностью зависят от батарей или местных источников энергии из окружающей среды. А подача питания для систем IoT на крупных объектах может быть довольно дорогостоящей. Идея протянуть новый силовой кабель дорога и трудоемка для реализации. Что, по сути, оставляет выбор батареи или локального сбора энергии окружающей среды в качестве единственных вариантов для этих удаленных узлов.
Использование же батареи требует строгого бюджета мощности, чтобы обеспечить максимальный срок службы элемента, что влияет на общую стоимость решения. Еще одним недостатком является необходимость замены элементов питания после разрядки. Речь идет не только о расходах на саму батарею, но и о большом объеме человеческого труда, необходимого для замены и утилизации старого устройства.
Дополнительная проблема касается стоимости и размера батареи — легко просто перепроектировать схему с банками, достаточно большими чтобы обеспечить достаточную емкость для достижения требуемого срока службы устройства (который часто превышает 10 лет). Однако это приводит к дополнительным расходам и увеличению размеров.
Питание в системах IoT
Современные источники питания для IoT можно разделить на 3 группы:
- Устройства в которых используется неперезаряжаемая батарея;
- Устройства требующие аккумуляторных батареек;
- Устройства собирающие энергию из окружающей среды.
- Эти группы можно использовать по отдельности или комбинировать друг с другом, если необходимо.
Устройства для батарей
Все знают о различных технологиях, связанных с одноразовыми батарейками. Они предназначены для использования там, где электроэнергия используется лишь время от времени. Устройство иногда включается, чтоб после вернуться в режим глубокого сна, где оно потребляет минимальное количество энергии. Основным преимуществом использования таких решений является то, что они обеспечивают высокую плотность энергии и более простую конструкцию, поскольку не требуются схемы зарядки и управления аккумулятором. Что приводит к более низкой стоимости. Поскольку батареи дешевле и в схеме требуется меньше электроники, это хорошо подходят для недорогих устройств с низким энергопотреблением. Но поскольку такие батареи имеют ограниченный срок службы, они не подходят для использования там, где потребление энергии несколько выше.
Рассмотрим большую сеть IoT с множеством узлов. Поскольку имеется обслуживающий техник, он заменяет батареи в каждом устройстве. Часто их все заменяют сразу, чтобы сэкономить на трудозатратах. Конечно это растрата материалов (батареек) и только усугубляет общую глобальную проблему отходов, не говоря уже о затратах на содержание. Более того, одноразовые батареи обеспечивают лишь около 2% энергии, используемой для их производства. Таким образом 98% ресурсов тратятся впустую, что очень расточительно.
Конечно, этот подход имеет место в IoT. Их относительно низкая начальная стоимость делает их идеальными для схем с низким энергопотреблением. Существует много различных типов и размеров аккумуляторов, и поскольку для их зарядки или управления не требуется много дополнительной электроники, они представляют собой простое решение.
С точки зрения проектирования ключевой задачей является максимальное использование ресурсов, доступных из этих небольших источников энергии. Для этого необходимо потратить много времени на составление плана бюджета энергопотребления, чтобы обеспечить максимальный срок службы батареи, где типичная цель — 10 лет.
Давайте рассмотрим два представителя семейства продуктов nanopower, кулоновый счетчик LTC3337 и импульсный стабилизатор LTC3336.
LTC3336 представляет собой маломощный преобразователь постоянного напряжения, работающий от входного напряжения до 15 В с программируемым уровнем пикового выходного тока. Входное напряжение может быть до 2,5 В, что делает чип идеальным для питания от батарей. Ток покоя чрезвычайно мал и составляет всего 65 нА для стабилизации напряжения холостого хода. Преобразователи довольно легко настроить и использовать в новом проекте. Выходное напряжение программируется на основе соединения контактов OUT0-OUT3.
Сопутствующим чипом для LTC3336 является LTC3337, монитор состояния батареи и счетчик кулонов. Это еще одно простое в использовании устройство в новой сборке — нужно только закрепить контакты IPK в соответствии с требуемым пиковым током, который находится в диапазоне от 5 до 100 мА. Небольших расчетов достаточно, чтобы укомплектовать схему элементами, выбранными на основе выбранного пикового тока, который указан в техпаспорте. Это интересное и ценное сочетание устройств для использования в системах IoT с ограниченным бюджетом мощности. Эти компоненты могут точно контролировать энергопотребление батареи и эффективно преобразовывать выходную мощность в полезное системное напряжение.
Перезаряжаемые системы с аккумулятором
Теперь давайте взглянем на перезаряжаемые устройства с аккумулятором. Это хороший выбор для IoT с более высокой мощностью или более эффективным использованием ресурсов, где частая замена батарейки не является приемлемым вариантом. Использование таких ячеек будет более дорогим внедрением из-за начальной стоимости блока и необходимости установки в схеме зарядных цепей. Но в элементах с более высоким энергопотреблением, где аккумуляторы часто разряжаются и перезаряжаются, инвестиции оправданы и быстро окупаются.
В зависимости от химического состава используемая АКБ может иметь меньшую начальную энергию, чем простые батарейки, но в долгосрочной перспективе это более эффективный и дешевый вариант. В зависимости от потребности в ресурсах другой вариант — хранить энергию с помощью конденсаторов или даже суперконденсаторов (ионисторов).
Зарядка аккумулятора включает несколько различных режимов и специализированных профилей в зависимости от используемой химии. Например, профиль литий-ионного аккумулятора показан на рисунке ниже. Внизу напряжение блока, а по вертикальной оси видно зарядный ток.
Когда в аккумуляторе больше нет выделенных ресурсов, как показано в левой части, зарядное устройство должно быть умным. Достаточно переключиться в режим предварительной зарядки, чтобы медленно увеличить напряжение батареи до безопасного уровня, прежде чем перейти в режим постоянного тока. В последнем зарядное устройство форсирует установленный ток батареи до тех пор, пока ее напряжение не поднимется до перепрограммированного порога удержания.
И запрограммированный ток, и напряжение, определяются типом используемого устройства. Зарядный ток ограничен С-фактором и требуемым временем питания, а напряжение удержания зависит от того, что безопасно для конкретной модели. Конструкторы могут немного уменьшить удерживающее напряжение, чтобы продлить срок службы элемента, если это требуется системой — как и все, что касается питания зависит от компромиссов.
После достижения уровня удерживающего напряжения видно, что зарядный ток падает до нуля и это напряжение поддерживается в течение определенного периода на основе алгоритма окончания цикла зарядки данной ячейки.
Рисунок далее показывает еще один график для трех взаимосвязанных ячеек, показывающий поведение параметров во времени. Напряжение аккумулятора обведено красным, а ток зарядки — синим. Цикл начинается в режиме постоянного тока, достигая 2 А до тех пор, пока напряжение АКБ не достигнет порога постоянного напряжения 12,6 В. Зарядное устройство поддерживает это состояние в течение времени, заданного таймером окончания, в данном случае 4-х часового окна. Этот период программируется для многих встроенных зарядных устройств.
Ниже показан удачный пример универсального зарядного устройства для аккумуляторов на LTC4162, которое может обеспечить зарядный ток до 3 А и подходит для ряда применений, включая портативные инструменты, требующие больших или многоэлементных батарей. Его также можно использовать для зарядки от солнечных батарей.
Устройства для сбора энергии
Еще одним вариантом, который следует учитывать при работе с IoT и их источниками питания, являются системы сбора энергии. Конечно, разработчику приходится учитывать немало моментов, но привлекательность бесплатных ресурсов трудно переоценить. Особенно там, где требования к питанию не слишком критичны и где сеть обычно отключена. Энергия может быть получена от солнца, термоэлектрики, радиоволн, пьезоэлектрических или вибрационных источников. Вот примерный уровень ресурсов при использовании различных методов добычи тока.
Что касается недостатков, то здесь начальная стоимость схемы выше по сравнению с другими рассмотренными ранее источниками питания. Потому что нужен собирающий элемент, такой как солнечная панель, пьезоэлектрический коллектор или модуль Пельтье, а также дополнительная микросхема обработки энергии и сопутствующие компоненты для сборки всего этого.
Другим недостатком является общий размер решения, особенно по сравнению с чисто батареечным источником питания. Трудно добиться малых габаритов с помощью устройства сбора энергии и дополнительно встроенного преобразователя.
Когда дело доходит до производительности, управление низким уровнем ресурсов может быть затруднено. Это связано с тем что многие источники питания имеют переменное напряжение, поэтому требуют выпрямления. Для этого используются диоды и приходится иметь дело с потерями энергии, возникающими из-за их свойств. Влияние этого уменьшается по мере увеличения входного напряжения, но такое не всегда возможно.
Устройства по сбору энергии, относятся к семействам продуктов ADP509x и LTC3108. Они могут поддерживать широкий спектр источников с несколькими путями питания и программируемыми вариантами управления нагрузкой для максимальной гибкости конструкции. Для управления ADP509x можно использовать несколько импульсов. А также собирать энергию из этого источника питания для зарядки аккумулятора или питания системной нагрузки. Для питания узла IoT можно использовать все что угодно: от солнечной энергии (как в помещении, так и на открытом воздухе) до термоэлектрических генераторов, сбора тепла тела для носимых устройств и тепловых двигателей. Другой вариант — собирать энергию с помощью пьезоэлектрических систем.
Другим устройством, которое может питаться от пьезоэлектрического источника, является ADP5304, который работает с очень низким током покоя (260 нА без нагрузки). Благодаря этому чип идеально подходит для устройств, связанных со сбором энергии от маломощных приемников. В техническом описании этого чипа показано типичное применение в схеме сбора ресурсов, управляемой пьезоэлектрическим источником и используемой для питания АЦП или чипа радиосвязи.
Управление питанием
Еще одна область — это управление питанием. Она начинается с расчета бюджета мощности для запитки устройства, прежде чем рассматривать различные решения. Данный шаг помогает разработчику понять что представляют собой ключевые компоненты и сколько энергии им действительно нужно. Это влияет на решение о выборе батареи, аккумулятора, выборе системы сбора ресурсов или их комбинации в качестве средства электропитания.
Частота с которой устройство IoT собирает сигналы и отправляет их обратно в центральную точку или облако, — еще одна важная деталь, которая оказывает большое влияние на общее потребление энергии. Распространенным методом является правильно выбранный рабочий цикл системы или увеличение времени между пробуждением устройства для сбора или передачи данных.
Использование режимов ожидания на каждом из электронных устройств также является полезным инструментом при попытке управлять использованием ресурсов в системе.
Подведем итоги
Важно учитывать все аспекты электропитания как можно раньше, ещё на этапе проектирования. Это особенно важно в устройствах с ограниченным энергопотреблением, таких как системы IoT. Разработка бюджета мощности на ранней стадии процесса может помочь разработчику определить наиболее эффективный путь и правильные компоненты для решения задач, позволяя достичь высокой энергоэффективности.
