W poniższym artykule omówiono technologię baterii w systemach Internetu Rzeczy (IoT). Opisuje on niektóre mankamenty, z którymi stykają się projektanci w zakresie tworzenia systemów zasilania i prezentuje portfolio rozwiązań od Analog Devices. Opcje te charakteryzują się wysoką niezawodnością i mogą pomóc w ograniczeniu innych problemów w urządzeniach IoT, takich jak rozmiar, waga czy chłodzenie.
Wraz z rosnącym wykorzystaniem jednostek IoT w maszynach przemysłowych, automatyce domowej i zastosowaniach medycznych, rośnie presja na optymalizację części zarządzania energią — albo poprzez zmniejszenie rozmiaru, zwiększenie sprawności, niższe zużycie prądu lub krótsze czasy ładowania (w przypadku przenośnych sprzętów IoT). Wszystko to musi być jednocześnie osiągnięte w małej obudowie. Ta nie powinna wpływać z kolei negatywnie na termikę ani nie zakłócać komunikacji bezprzewodowej realizowanej przez te urządzenia.
Co to jest Internet Rzeczy?
Obszar zastosowań IoT występuje pod wieloma różnymi postaciami. Ogólnie termin ten odnosi się do inteligentnego, podłączonego do sieci sprzętu elektronicznego, który prawdopodobnie jest zasilany z baterii i wysyła wstępnie przeliczone dane do infrastruktury opartej na chmurze. Wykorzystuje mieszankę systemów wbudowanych, takich jak procesory, scalone układy komunikacyjne i czujniki, aby zbierać, odpowiadać i dostarczać informacje do centralnego punktu lub innego węzła w sieci. Może to być wszystko, od prostego sensora temperatury raportującego o warunkach termicznych w pomieszczeniu z powrotem do głównego systemu jej monitorowania, aż po monitor stanu maszyny, który śledzi długoterminową kondycję bardzo drogiego sprzętu w fabryce.
Docelowo urządzenia te są opracowywane w celu rozwiązania konkretnego wyzwania. Jak na przykład w ramach zautomatyzowania zadań, które zwykle wymagają interwencji człowieka, takich jak automatyka domowa lub dla budynków, czy też względem polepszenia użyteczności i trwałości sprzętu w przypadku przemysłowych zastosowań IoT. Tudzież nawet, aby uzyskać poprawę bezpieczeństwa, jeśli weźmiemy pod uwagę aplikacje monitorujące stan otoczenia, zaimplementowane w elementach, takich jak mosty.
Przykładowe aplikacje
Obszary wykorzystania urządzeń IoT są prawie nieograniczone, a nowe jednostki i przypadki użycia są wymyślane każdego dnia. Aplikacje oparte na inteligentnych nadajnikach zbierają dane o środowisku, w którym się znajdują, aby podejmować decyzje dotyczące kontrolowania ciepła, uruchamiania alarmów lub automatyzacji określonych operacji. Ponadto przenośne przyrządy, takie jak gazomierze i systemy pomiaru jakości powietrza, zapewniają dokładne szacunki, przesyłając je przez chmurę do centrum kontroli. Inną aplikacją są systemy śledzenia GPS. Umożliwiają kontrolowanie np. kontenerów wysyłkowych, a także żywego inwentarza, takiego jak krowy, za pomocą inteligentnych kolczyków. Obejmują one tylko niewielki obszar urządzeń podłączonych do chmury. Inne pola eksploatacji to aparatury medyczne do noszenia na ciele.
Znaczącą domeną wzrostu IoT są zastosowania przemysłowe, które są częścią tzw. czwartej rewolucji przemysłowej, w której inteligentne fabryki zajmują centralne miejsce. Istnieje szeroka gama aplikacji IoT, które ostatecznie próbują zmechanizować jak największą część zakładów, czy to za pomocą zautomatyzowanych pojazdów sterowanych (AGV), inteligentnych czujników, takich jak znaczniki RF lub mierniki ciśnienia, czy też innych sensorów środowiskowych umieszczonych wokół budynków.
Z perspektywy Analog Devices, wysoki poziom zainteresowania IoT skupia się na pięciu głównych ujęciach:
* Inteligentne zdrowie — obsługa aplikacji monitorujących parametry życiowe, zarówno na poziomie klinicznym, jak i konsumenckim;
* Inteligentne fabryki — skoncentrowanie się na budowaniu Przemysłu 4.0 poprzez zwiększenie responsywności, elastyczności i konstruowanie oszczędniejszych i mniejszych zakładów;
* Inteligentne budynki/miasta — wykorzystujące pomiary do ochrony budowli, wykrywania zajętości miejsc parkingowych oraz sterowania termicznego i elektrycznego;
* Inteligentne rolnictwo — użytkowanie dostępnej technologii do zautomatyzowania rolnictwa i efektywniejszej eksploatacji zasobów;
* Inteligentna infrastruktura — oparta na technologii monitorowania bazującej na stanie, aby śledzić ruch i status rozmaitych konstrukcji.
Wyzwania projektowe IoT
Jakie są kluczowe wyzwania stojące przed projektantem w stale rosnącej przestrzeni aplikacji IoT? Większość z tych urządzeń lub węzłów jest instalowana po fakcie bądź w trudno dostępnych miejscach, więc podpięcie do nich zasilania nie jest możliwe. To oczywiście oznacza, że są całkowicie uzależnione od baterii lub lokalnego pozyskiwania zasobów z otoczenia. Doprowadzanie energii do układów IoT na terenie dużych obiektów może być dość kosztowne. Na przykład zasilanie zdalnych węzłów IoT w fabryce. Pomysł pociągnięcia nowego kabla zasilającego jest drogi i czasochłonny w realizacji. Co zasadniczo pozostawia do wyboru baterię lub lokalne zbieranie energii z otoczenia jako jedyne opcje dla tych zdalnych węzłów.
Poleganie na zasilaniu bateryjnym wprowadza konieczność przestrzegania rygorystycznego budżetu mocy, aby zapewnić maksymalizację żywotności ogniw, co oczywiście ma wpływ na całkowity koszt posiadania urządzenia. Kolejną wadą jest konieczność wymian po rozładowaniu. Chodzi tutaj nie tylko o wydatek na rzecz samej baterii, ale także o wysoki nakład pracy ludzkiej potrzebnej celem zastąpienia i ewentualnej utylizacji starej jednostki. Dodatkowa uwaga dotyczy oczywiście kosztu i rozmiaru baterii — bardzo łatwo jest po prostu przeprojektować system na ogniwa tak duże, aby zapewnić wystarczającą pojemność, aby osiągnąć wymaganą żywotność urządzenia (która bardzo często przekracza 10 lat). Jednakże skutkuje to dodatkowymi wydatkami i zwiększonymi rozmiarami. Stąd niezwykle ważne jest, aby nie tylko zoptymalizować budżet mocy, ale także zminimalizować zużycie energii tam, gdzie to wykonalne, aby zainstalować możliwie najmniejszą baterię, która nadal będzie spełniać wymagania projektowe.
Zasilanie w IoT
Na potrzeby tego artykułu źródła zasilania dla aplikacji IoT można podzielić na trzy grupy:
* Urządzenia korzystające z nieładowalnej baterii;
* Urządzenia wymagające akumulatorów;
* Urządzenia wykorzystujące zbieranie energii z otoczenia.
Ujęcia te mogą być używane pojedynczo lub łączone ze sobą, jeśli aplikacja tego potrzebuje.
Zastosowania baterii
Wszyscy projektanci są świadomi różnych technologii związanych z bateriami jednorazowymi. Są one przeznaczone do użytku, w którym zasilanie zużywane jest tylko okazjonalnie. Znaczy to, że urządzenie jest zasilane od czasu do czasu przed powrotem do trybu głębokiego uśpienia, w którym pobiera minimalną moc. Główną zaletą posiłkowania się takimi bateriami jest to, że zapewniają one wysoką gęstość energii i prostszą konstrukcję — ponieważ nie trzeba instalować obwodów ładowania i zarządzania akumulatorami. Przekłada się to także na niższy koszt. Jako że akumulatory są tańsze i wymagane jest mniej elektroniki w układzie. Dobrze pasują do tanich aplikacji o niskim poborze mocy. Jednak, ponieważ baterie takie mają skończoną żywotność, nie nadają się do użytku, w którym wykorzystanie energii jest nieco wyższe. Jako że wiąże się to z wydatkami na rzecz zarówno wymiany ogniw, jak i kosztem serwisanta przeprowadzającego całą operację.
Rozważmy dużą instalację IoT z wieloma węzłami. Ponieważ mamy technika na miejscu, to zastępuje on baterie w każdym urządzeniu. Bardzo często wszystkie one zostaną podmienione za jednym razem, aby zaoszczędzić na kosztach pracy. Oczywiście jest to marnotrawstwo materiałów (baterii) i tylko powiększa ogólny globalny problem z odpadami, nie mówiąc już o wydatkach utrzymania instalacji. Co więcej, baterie jednorazowe dostarczają tylko około 2% energii zużywanej do ich produkcji. Zatem 98% zasobów jest roztrwaniane, co sprawia, że są one bardzo nieekonomicznym źródłem.
Oczywiście takie podejście ma swoje miejsce w aplikacjach IoT. Ich stosunkowo niski koszt początkowy czyni je idealnymi do zastosowań o mniejszym poborze mocy. Dostępnych jest wiele różnych typów i rozmiarów baterii, a ponieważ nie wymagają one dużej ilości dodatkowej elektroniki do ładowania lub zarządzania, są prostym rozwiązaniem.
Z punktu widzenia projektowania kluczowym wyzwaniem jest maksymalne wykorzystanie zasobów dostępnych z tych niewielkich źródeł energii. W tym celu należy poświęcić dużo czasu na stworzenie planu budżetu mocy, aby zapewnić maksymalizację żywotności baterii, przy czym 10 lat jest typowym założeniem.
W przypadku zastosowań warto rozważyć dwa elementy z rodziny produktów nanopower — licznik kulombów LTC3337 i stabilizator impulsowy buck LTC3336 pokazane na rysunku 1.
LTC3336 to przetwornica DC/DC o małej mocy, działająca od napięcia wejściowego do 15 V z programowalnym szczytowym poziomem prądu wyjściowego. Wejście może spaść nawet do 2,5 V, co czyni ją idealną do ujęć zasilanych bateryjnie. Prąd spoczynkowy jest wyjątkowo niski — przy 65 nA dla stabilizacji napięcia bez obciążenia. W przypadku przetwornic DC-DC jest to dość łatwe w konfiguracji i użyciu w nowym projekcie. Napięcie wyjściowe jest programowane w oparciu o sposób podłączenia pinów OUT0-OUT3.
Towarzyszącym urządzeniem dla LTC3336 jest LTC3337, monitor stanu baterii i licznik kulombów. Jest to kolejna łatwa w użyciu jednostka w nowym projekcie — trzeba tylko przypiąć piny IPK zgodnie z wymaganym prądem szczytowym, który mieści się w zakresie od 5 mA do 100 mA. Wystarczy kilka obliczeń dla wybranej baterii, aby uzupełnić układ elementami dobranymi na podstawie wybranego prądu szczytowego, który jest odnotowany w arkuszu danych. Jest to ciekawe i wartościowe połączenie urządzeń do zastosowań w systemach IoT z ograniczonym budżetem mocy. Te części mogą zarówno dokładnie monitorować zużycie energii z baterii, jak i skutecznie przekształcać moc wyjściową na użyteczne napięcie systemowe.
Aplikacje akumulatorowe
Przyjrzyjmy się teraz ujęciom ładowalnym — z akumulatorem. Jest to dobry wybór w przypadku aplikacji IoT o wyższej mocy lub większym wykorzystaniu zasobów, w których częstotliwość wymiany baterii nie jest akceptowalną opcją. Spożytkowanie takich ogniw jest bardziej kosztowną implementacją ze względu na początkowy koszt jednostki i konieczność instalacji obwodów ładujących w systemie. Jednak w zastosowaniach o wyższym poborze mocy, gdzie baterie są często rozładowywane i ładowane, nakład ten jest uzasadniony i szybko się zwraca.
W zależności od składu chemicznego wykorzystany akumulator może mieć niższą energię początkową niż baterie, ale w dłuższej perspektywie jest to sprawniejszy wariant i ogólnie mniej marnotrawny. W zależności od zapotrzebowania na zasoby inną opcją jest przechowywanie ich za pomocą kondensatorów, czy nawet superkondensatorów. Jednakże one są bardziej przydatne w przypadku krótkoterminowego magazynowania energii w układzie.
Ładowanie baterii obejmuje kilka różnych trybów i specjalistycznych profili w zależności od zastosowanej chemii. Na przykład profil akumulatora litowo-jonowego pokazano na rysunku 2. U dołu znajduje się napięcie jednostki, a prąd ładowania widać na osi pionowej.
Rys.2. Prąd ładowania a napięcie akumulatora.
Gdy bateria nie zawiera już dedykowanych zasobów, jak po lewej stronie rysunku 2, ładowarka musi być sprytna. Na tyle, by przełączyć się w tryb wstępnego ładowania, aby powoli zwiększać napięcie akumulatora do bezpiecznego poziomu przed przejściem w tryb stałego prądu. W tym ostatnim ładowarka wymusza ustawiony prąd akumulatora, aż jego napięcie wzrośnie do przeprogramowanego progu podtrzymującego.
Zarówno zaprogramowany prąd, jak i napięcie są określone przez typ używanej jednostki. Prąd ładowania jest ograniczony przez współczynnik C i wymagany czas zasilania, a napięcie podtrzymujące zależy od tego, co jest bezpieczne dla danego modelu. Projektanci mogą nieco zmniejszyć napięcie podtrzymujące, aby wydłużyć żywotność ogniwa, jeśli jest to wymagane przez system — podobnie jak wszystko w kwestii zasilania, całokształt zależy od pewnych kompromisów.
Po osiągnięciu poziomu napięcia podtrzymania można zauważyć, że prąd ładowania spada do zera i napięcie to jest utrzymywane przez pewien period w oparciu o algorytm zakończenia cyklu ładowania danego ogniwa.
Rysunek 3 przedstawia inny wykres dla aplikacji trzech połączonych ze sobą ogniw, pokazujący zachowanie parametrów w czasie. Napięcie akumulatora jest zakreślone na czerwono, a prąd ładowania na niebiesko. Cykl rozpoczyna się w trybie stałego prądu, osiągając poziom 2 A, aż napięcie akumulatora uzyska próg stałego napięcia 12,6 V. Ładowarka utrzymuje ten stan na czas określony przez timer zakończenia — w tym przypadku przez 4-godzinne okno. Ten period jest programowalny dla wielu scalonych ładowarek.
Rys.3. Napięcie i prąd ładowania w funkcji czasu.
Rysunek 4 pokazuje elegancki przykład uniwersalnej ładowarki akumulatorów typu buck, LTC4162, która może zapewnić prąd ładowania do 3,2 A. I jest odpowiednia do szeregu zastosowań, w tym do przyrządów przenośnych i ujęć wymagających większych akumulatorów lub takich wieloogniwowych. Może być również używana do ładowania ze źródeł słonecznych.
Rys.4. LTC4162, ładowarka akumulatorów z prądem wyjściowym do 3,2 A.
Aplikacje do pozyskiwania energii
Inną opcją do rozważenia podczas pracy z aplikacjami Internetu Rzeczy i ich źródłami zasilania są systemy zbierania energii. Oczywiście projektant systemu musi wziąć pod uwagę kilka kwestii, ale atrakcyjność darmowych zasobów jest nie do przecenienia. Zwłaszcza w przypadku zastosowań, w których wymagania dotyczące zasilania nie są zbyt krytyczne i gdzie instalacja musi być na ogół wyłączona. Do wyboru jest wiele różnych ujęć i nie muszą być one zewnętrzne względem samego urządzenia, aby z nich skorzystać. Można zbierać energię słoneczną, termoelektryczną, fal radiowych (chociaż oferuje to bardzo niski poziom mocy), piezoelektryczną lub wibracji. Rysunek 5 przedstawia przybliżony poziom zasobów przy użyciu różnych metod poboru.
Rys.5. Źródła energii i przybliżone pułapy dostępne dla różnych zastosowań.
Jeśli chodzi o wady, to trzeba pamiętać, iż początkowy koszt systemu jest wyższy w porównaniu z innymi omówionymi wcześniej źródłami zasilania. Jako że potrzebny jest element pozyskujący, taki jak panel słoneczny, odbiornik piezoelektryczny czy moduł Peltiera, a także dodatkowy układ scalony do przetwarzania energii i powiązane komponenty pozwalające na zbudowanie całości.
Kolejną wadą jest ogólny rozmiar rozwiązania, szczególnie w porównaniu ze źródłem zasilania, takim jak bateria pastylkowa. Ciężko jest osiągnąć niewielkie gabaryty za pomocą urządzenia do zbierania energii i scaloną przetwornicą.
Jeśli chodzi o wydajność, zarządzanie niskimi poziomami zasobów może być trudne. Dzieje się tak, ponieważ wiele źródeł zasilania to napięcie zmienne, więc wymagają prostowania. Służą do tego diody. Projektant musi poradzić sobie ze stratami energii wynikającymi z ich właściwości. Wpływ tego zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia wejściowego, ale nie zawsze jest to możliwe.
Urządzenia, które przewijają się w większości dyskusji na temat pozyskiwania energii, pochodzą z rodziny produktów ADP509x i LTC3108. Te mogą obsługiwać szeroką gamę źródeł z wieloma ścieżkami zasilania i programowalnymi opcjami zarządzania ładowaniem, które zapewniają najwyższą elastyczność projektowania. Do napędzania ADP509x można wykorzystać wiele ujęć. A także pozyskiwać energię z tego źródła zasilania w celu naładowania akumulatora lub zasilania obciążenia systemu. Do zasilania węzła IoT można spożytkować wszystko, od energii słonecznej (zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz) po generatory termoelektryczne, do pozyskiwania zasobów cieplnych z ciała w zastosowaniach do noszenia czy termikę silnika w systemach przemysłowych. Inną opcją jest gromadzenie energii z wykorzystaniem systemów piezoelektrycznych. Co dodaje kolejną sposobność nabywania elastyczności — jest to fajna możliwość, na przykład, aby uzyskać moc z działającego, wibrującego silnika.
Rys.6. Schemat blokowy ADP5090 w aplikacji do zbioru energii.
Innym urządzeniem, które może być zasilane ze źródła piezoelektrycznego, jest ADP5304, które działa z bardzo niskim prądem spoczynkowym (typowo 260 nA bez obciążenia). Dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań związanych ze zbieraniem energii z ujęć o małej mocy wyjściowej. Karta katalogowa tego układu zawiera typową aplikację w systemie gromadzenia zasobów (patrz rysunek 7), napędzaną ze źródła piezoelektrycznego i używaną do dostarczania zasilania do przetwornika ADC czy chipa do komunikacji radiowej.
Rys.7. Schemat przykładowej aplikacji ze źródłem piezoelektrycznym, obsługiwanym przez układ ADP5304.
Zarządzanie energią
Kolejnym obszarem, który powinien być częścią każdej dyskusji dotyczącej aplikacji z ograniczonym budżetem mocy, jest zarządzanie zasilaniem. Rozpoczyna się to od kalkulacji budżetu mocy dla aplikacji przed przyjrzeniem się różnym rozwiązaniom. Ten niezbędny krok pomaga projektantowi zrozumieć, jakie są kluczowe komponenty i ile energii realnie potrzebują. Wpływa to na decyzję o wyborze baterii, akumulatora, doborze systemu do poboru zasobów lub ich kombinacji jako sposobu na zasilanie.
Częstotliwość, z jaką urządzenie IoT zbiera sygnały i wysyła je z powrotem do punktu centralnego lub chmury, to kolejny ważny szczegół, który ma duży wpływ na całkowite zużycie energii. Powszechną techniką jest odpowiednio dobrany cykl pracy układu lub wydłużenie czasu między wybudzeniem urządzenia w celu zgromadzenia i/lub przesłania danych.
Korzystanie z trybów czuwania na każdym ze sprzętów elektronicznych (jeśli są dostępne) jest również przydatnym narzędziem przy próbie zarządzania wykorzystaniem zasobów w systemie.
Podsumowanie
Podobnie jak w przypadku wszystkich aplikacji elektronicznych, ważne jest, aby na jak najwcześniejszym etapie projektowania rozważyć wszystkie aspekty związane z zasilaniem. Jest to jeszcze istotniejsze w ujęciach o ograniczonej mocy, takich jak systemy IoT. Opracowanie budżetu mocy we wczesnej fazie procesu może pomóc twórcy całości zidentyfikować najbardziej wydajną ścieżkę. A także odpowiednie elementy, które sprostają wyzwaniom stawianym przez te aplikacje, co pozwoli osiągnąć wysoką sprawność energetyczną przy małych rozmiarach rozwiązania.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/what-are-the-best-applications-for-iot-in-the-new-world-of-ic-power-management.html
Wraz z rosnącym wykorzystaniem jednostek IoT w maszynach przemysłowych, automatyce domowej i zastosowaniach medycznych, rośnie presja na optymalizację części zarządzania energią — albo poprzez zmniejszenie rozmiaru, zwiększenie sprawności, niższe zużycie prądu lub krótsze czasy ładowania (w przypadku przenośnych sprzętów IoT). Wszystko to musi być jednocześnie osiągnięte w małej obudowie. Ta nie powinna wpływać z kolei negatywnie na termikę ani nie zakłócać komunikacji bezprzewodowej realizowanej przez te urządzenia.
Co to jest Internet Rzeczy?
Obszar zastosowań IoT występuje pod wieloma różnymi postaciami. Ogólnie termin ten odnosi się do inteligentnego, podłączonego do sieci sprzętu elektronicznego, który prawdopodobnie jest zasilany z baterii i wysyła wstępnie przeliczone dane do infrastruktury opartej na chmurze. Wykorzystuje mieszankę systemów wbudowanych, takich jak procesory, scalone układy komunikacyjne i czujniki, aby zbierać, odpowiadać i dostarczać informacje do centralnego punktu lub innego węzła w sieci. Może to być wszystko, od prostego sensora temperatury raportującego o warunkach termicznych w pomieszczeniu z powrotem do głównego systemu jej monitorowania, aż po monitor stanu maszyny, który śledzi długoterminową kondycję bardzo drogiego sprzętu w fabryce.
Docelowo urządzenia te są opracowywane w celu rozwiązania konkretnego wyzwania. Jak na przykład w ramach zautomatyzowania zadań, które zwykle wymagają interwencji człowieka, takich jak automatyka domowa lub dla budynków, czy też względem polepszenia użyteczności i trwałości sprzętu w przypadku przemysłowych zastosowań IoT. Tudzież nawet, aby uzyskać poprawę bezpieczeństwa, jeśli weźmiemy pod uwagę aplikacje monitorujące stan otoczenia, zaimplementowane w elementach, takich jak mosty.
Przykładowe aplikacje
Obszary wykorzystania urządzeń IoT są prawie nieograniczone, a nowe jednostki i przypadki użycia są wymyślane każdego dnia. Aplikacje oparte na inteligentnych nadajnikach zbierają dane o środowisku, w którym się znajdują, aby podejmować decyzje dotyczące kontrolowania ciepła, uruchamiania alarmów lub automatyzacji określonych operacji. Ponadto przenośne przyrządy, takie jak gazomierze i systemy pomiaru jakości powietrza, zapewniają dokładne szacunki, przesyłając je przez chmurę do centrum kontroli. Inną aplikacją są systemy śledzenia GPS. Umożliwiają kontrolowanie np. kontenerów wysyłkowych, a także żywego inwentarza, takiego jak krowy, za pomocą inteligentnych kolczyków. Obejmują one tylko niewielki obszar urządzeń podłączonych do chmury. Inne pola eksploatacji to aparatury medyczne do noszenia na ciele.
Znaczącą domeną wzrostu IoT są zastosowania przemysłowe, które są częścią tzw. czwartej rewolucji przemysłowej, w której inteligentne fabryki zajmują centralne miejsce. Istnieje szeroka gama aplikacji IoT, które ostatecznie próbują zmechanizować jak największą część zakładów, czy to za pomocą zautomatyzowanych pojazdów sterowanych (AGV), inteligentnych czujników, takich jak znaczniki RF lub mierniki ciśnienia, czy też innych sensorów środowiskowych umieszczonych wokół budynków.
Z perspektywy Analog Devices, wysoki poziom zainteresowania IoT skupia się na pięciu głównych ujęciach:
* Inteligentne zdrowie — obsługa aplikacji monitorujących parametry życiowe, zarówno na poziomie klinicznym, jak i konsumenckim;
* Inteligentne fabryki — skoncentrowanie się na budowaniu Przemysłu 4.0 poprzez zwiększenie responsywności, elastyczności i konstruowanie oszczędniejszych i mniejszych zakładów;
* Inteligentne budynki/miasta — wykorzystujące pomiary do ochrony budowli, wykrywania zajętości miejsc parkingowych oraz sterowania termicznego i elektrycznego;
* Inteligentne rolnictwo — użytkowanie dostępnej technologii do zautomatyzowania rolnictwa i efektywniejszej eksploatacji zasobów;
* Inteligentna infrastruktura — oparta na technologii monitorowania bazującej na stanie, aby śledzić ruch i status rozmaitych konstrukcji.
Wyzwania projektowe IoT
Jakie są kluczowe wyzwania stojące przed projektantem w stale rosnącej przestrzeni aplikacji IoT? Większość z tych urządzeń lub węzłów jest instalowana po fakcie bądź w trudno dostępnych miejscach, więc podpięcie do nich zasilania nie jest możliwe. To oczywiście oznacza, że są całkowicie uzależnione od baterii lub lokalnego pozyskiwania zasobów z otoczenia. Doprowadzanie energii do układów IoT na terenie dużych obiektów może być dość kosztowne. Na przykład zasilanie zdalnych węzłów IoT w fabryce. Pomysł pociągnięcia nowego kabla zasilającego jest drogi i czasochłonny w realizacji. Co zasadniczo pozostawia do wyboru baterię lub lokalne zbieranie energii z otoczenia jako jedyne opcje dla tych zdalnych węzłów.
Poleganie na zasilaniu bateryjnym wprowadza konieczność przestrzegania rygorystycznego budżetu mocy, aby zapewnić maksymalizację żywotności ogniw, co oczywiście ma wpływ na całkowity koszt posiadania urządzenia. Kolejną wadą jest konieczność wymian po rozładowaniu. Chodzi tutaj nie tylko o wydatek na rzecz samej baterii, ale także o wysoki nakład pracy ludzkiej potrzebnej celem zastąpienia i ewentualnej utylizacji starej jednostki. Dodatkowa uwaga dotyczy oczywiście kosztu i rozmiaru baterii — bardzo łatwo jest po prostu przeprojektować system na ogniwa tak duże, aby zapewnić wystarczającą pojemność, aby osiągnąć wymaganą żywotność urządzenia (która bardzo często przekracza 10 lat). Jednakże skutkuje to dodatkowymi wydatkami i zwiększonymi rozmiarami. Stąd niezwykle ważne jest, aby nie tylko zoptymalizować budżet mocy, ale także zminimalizować zużycie energii tam, gdzie to wykonalne, aby zainstalować możliwie najmniejszą baterię, która nadal będzie spełniać wymagania projektowe.
Zasilanie w IoT
Na potrzeby tego artykułu źródła zasilania dla aplikacji IoT można podzielić na trzy grupy:
* Urządzenia korzystające z nieładowalnej baterii;
* Urządzenia wymagające akumulatorów;
* Urządzenia wykorzystujące zbieranie energii z otoczenia.
Ujęcia te mogą być używane pojedynczo lub łączone ze sobą, jeśli aplikacja tego potrzebuje.
Zastosowania baterii
Wszyscy projektanci są świadomi różnych technologii związanych z bateriami jednorazowymi. Są one przeznaczone do użytku, w którym zasilanie zużywane jest tylko okazjonalnie. Znaczy to, że urządzenie jest zasilane od czasu do czasu przed powrotem do trybu głębokiego uśpienia, w którym pobiera minimalną moc. Główną zaletą posiłkowania się takimi bateriami jest to, że zapewniają one wysoką gęstość energii i prostszą konstrukcję — ponieważ nie trzeba instalować obwodów ładowania i zarządzania akumulatorami. Przekłada się to także na niższy koszt. Jako że akumulatory są tańsze i wymagane jest mniej elektroniki w układzie. Dobrze pasują do tanich aplikacji o niskim poborze mocy. Jednak, ponieważ baterie takie mają skończoną żywotność, nie nadają się do użytku, w którym wykorzystanie energii jest nieco wyższe. Jako że wiąże się to z wydatkami na rzecz zarówno wymiany ogniw, jak i kosztem serwisanta przeprowadzającego całą operację.
Rozważmy dużą instalację IoT z wieloma węzłami. Ponieważ mamy technika na miejscu, to zastępuje on baterie w każdym urządzeniu. Bardzo często wszystkie one zostaną podmienione za jednym razem, aby zaoszczędzić na kosztach pracy. Oczywiście jest to marnotrawstwo materiałów (baterii) i tylko powiększa ogólny globalny problem z odpadami, nie mówiąc już o wydatkach utrzymania instalacji. Co więcej, baterie jednorazowe dostarczają tylko około 2% energii zużywanej do ich produkcji. Zatem 98% zasobów jest roztrwaniane, co sprawia, że są one bardzo nieekonomicznym źródłem.
Oczywiście takie podejście ma swoje miejsce w aplikacjach IoT. Ich stosunkowo niski koszt początkowy czyni je idealnymi do zastosowań o mniejszym poborze mocy. Dostępnych jest wiele różnych typów i rozmiarów baterii, a ponieważ nie wymagają one dużej ilości dodatkowej elektroniki do ładowania lub zarządzania, są prostym rozwiązaniem.
Z punktu widzenia projektowania kluczowym wyzwaniem jest maksymalne wykorzystanie zasobów dostępnych z tych niewielkich źródeł energii. W tym celu należy poświęcić dużo czasu na stworzenie planu budżetu mocy, aby zapewnić maksymalizację żywotności baterii, przy czym 10 lat jest typowym założeniem.
W przypadku zastosowań warto rozważyć dwa elementy z rodziny produktów nanopower — licznik kulombów LTC3337 i stabilizator impulsowy buck LTC3336 pokazane na rysunku 1.
LTC3336 to przetwornica DC/DC o małej mocy, działająca od napięcia wejściowego do 15 V z programowalnym szczytowym poziomem prądu wyjściowego. Wejście może spaść nawet do 2,5 V, co czyni ją idealną do ujęć zasilanych bateryjnie. Prąd spoczynkowy jest wyjątkowo niski — przy 65 nA dla stabilizacji napięcia bez obciążenia. W przypadku przetwornic DC-DC jest to dość łatwe w konfiguracji i użyciu w nowym projekcie. Napięcie wyjściowe jest programowane w oparciu o sposób podłączenia pinów OUT0-OUT3.
Towarzyszącym urządzeniem dla LTC3336 jest LTC3337, monitor stanu baterii i licznik kulombów. Jest to kolejna łatwa w użyciu jednostka w nowym projekcie — trzeba tylko przypiąć piny IPK zgodnie z wymaganym prądem szczytowym, który mieści się w zakresie od 5 mA do 100 mA. Wystarczy kilka obliczeń dla wybranej baterii, aby uzupełnić układ elementami dobranymi na podstawie wybranego prądu szczytowego, który jest odnotowany w arkuszu danych. Jest to ciekawe i wartościowe połączenie urządzeń do zastosowań w systemach IoT z ograniczonym budżetem mocy. Te części mogą zarówno dokładnie monitorować zużycie energii z baterii, jak i skutecznie przekształcać moc wyjściową na użyteczne napięcie systemowe.
Aplikacje akumulatorowe
Przyjrzyjmy się teraz ujęciom ładowalnym — z akumulatorem. Jest to dobry wybór w przypadku aplikacji IoT o wyższej mocy lub większym wykorzystaniu zasobów, w których częstotliwość wymiany baterii nie jest akceptowalną opcją. Spożytkowanie takich ogniw jest bardziej kosztowną implementacją ze względu na początkowy koszt jednostki i konieczność instalacji obwodów ładujących w systemie. Jednak w zastosowaniach o wyższym poborze mocy, gdzie baterie są często rozładowywane i ładowane, nakład ten jest uzasadniony i szybko się zwraca.
W zależności od składu chemicznego wykorzystany akumulator może mieć niższą energię początkową niż baterie, ale w dłuższej perspektywie jest to sprawniejszy wariant i ogólnie mniej marnotrawny. W zależności od zapotrzebowania na zasoby inną opcją jest przechowywanie ich za pomocą kondensatorów, czy nawet superkondensatorów. Jednakże one są bardziej przydatne w przypadku krótkoterminowego magazynowania energii w układzie.
Ładowanie baterii obejmuje kilka różnych trybów i specjalistycznych profili w zależności od zastosowanej chemii. Na przykład profil akumulatora litowo-jonowego pokazano na rysunku 2. U dołu znajduje się napięcie jednostki, a prąd ładowania widać na osi pionowej.
Rys.2. Prąd ładowania a napięcie akumulatora.
Gdy bateria nie zawiera już dedykowanych zasobów, jak po lewej stronie rysunku 2, ładowarka musi być sprytna. Na tyle, by przełączyć się w tryb wstępnego ładowania, aby powoli zwiększać napięcie akumulatora do bezpiecznego poziomu przed przejściem w tryb stałego prądu. W tym ostatnim ładowarka wymusza ustawiony prąd akumulatora, aż jego napięcie wzrośnie do przeprogramowanego progu podtrzymującego.
Zarówno zaprogramowany prąd, jak i napięcie są określone przez typ używanej jednostki. Prąd ładowania jest ograniczony przez współczynnik C i wymagany czas zasilania, a napięcie podtrzymujące zależy od tego, co jest bezpieczne dla danego modelu. Projektanci mogą nieco zmniejszyć napięcie podtrzymujące, aby wydłużyć żywotność ogniwa, jeśli jest to wymagane przez system — podobnie jak wszystko w kwestii zasilania, całokształt zależy od pewnych kompromisów.
Po osiągnięciu poziomu napięcia podtrzymania można zauważyć, że prąd ładowania spada do zera i napięcie to jest utrzymywane przez pewien period w oparciu o algorytm zakończenia cyklu ładowania danego ogniwa.
Rysunek 3 przedstawia inny wykres dla aplikacji trzech połączonych ze sobą ogniw, pokazujący zachowanie parametrów w czasie. Napięcie akumulatora jest zakreślone na czerwono, a prąd ładowania na niebiesko. Cykl rozpoczyna się w trybie stałego prądu, osiągając poziom 2 A, aż napięcie akumulatora uzyska próg stałego napięcia 12,6 V. Ładowarka utrzymuje ten stan na czas określony przez timer zakończenia — w tym przypadku przez 4-godzinne okno. Ten period jest programowalny dla wielu scalonych ładowarek.
Rys.3. Napięcie i prąd ładowania w funkcji czasu.
Rysunek 4 pokazuje elegancki przykład uniwersalnej ładowarki akumulatorów typu buck, LTC4162, która może zapewnić prąd ładowania do 3,2 A. I jest odpowiednia do szeregu zastosowań, w tym do przyrządów przenośnych i ujęć wymagających większych akumulatorów lub takich wieloogniwowych. Może być również używana do ładowania ze źródeł słonecznych.
Rys.4. LTC4162, ładowarka akumulatorów z prądem wyjściowym do 3,2 A.
Aplikacje do pozyskiwania energii
Inną opcją do rozważenia podczas pracy z aplikacjami Internetu Rzeczy i ich źródłami zasilania są systemy zbierania energii. Oczywiście projektant systemu musi wziąć pod uwagę kilka kwestii, ale atrakcyjność darmowych zasobów jest nie do przecenienia. Zwłaszcza w przypadku zastosowań, w których wymagania dotyczące zasilania nie są zbyt krytyczne i gdzie instalacja musi być na ogół wyłączona. Do wyboru jest wiele różnych ujęć i nie muszą być one zewnętrzne względem samego urządzenia, aby z nich skorzystać. Można zbierać energię słoneczną, termoelektryczną, fal radiowych (chociaż oferuje to bardzo niski poziom mocy), piezoelektryczną lub wibracji. Rysunek 5 przedstawia przybliżony poziom zasobów przy użyciu różnych metod poboru.
Rys.5. Źródła energii i przybliżone pułapy dostępne dla różnych zastosowań.
Jeśli chodzi o wady, to trzeba pamiętać, iż początkowy koszt systemu jest wyższy w porównaniu z innymi omówionymi wcześniej źródłami zasilania. Jako że potrzebny jest element pozyskujący, taki jak panel słoneczny, odbiornik piezoelektryczny czy moduł Peltiera, a także dodatkowy układ scalony do przetwarzania energii i powiązane komponenty pozwalające na zbudowanie całości.
Kolejną wadą jest ogólny rozmiar rozwiązania, szczególnie w porównaniu ze źródłem zasilania, takim jak bateria pastylkowa. Ciężko jest osiągnąć niewielkie gabaryty za pomocą urządzenia do zbierania energii i scaloną przetwornicą.
Jeśli chodzi o wydajność, zarządzanie niskimi poziomami zasobów może być trudne. Dzieje się tak, ponieważ wiele źródeł zasilania to napięcie zmienne, więc wymagają prostowania. Służą do tego diody. Projektant musi poradzić sobie ze stratami energii wynikającymi z ich właściwości. Wpływ tego zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia wejściowego, ale nie zawsze jest to możliwe.
Urządzenia, które przewijają się w większości dyskusji na temat pozyskiwania energii, pochodzą z rodziny produktów ADP509x i LTC3108. Te mogą obsługiwać szeroką gamę źródeł z wieloma ścieżkami zasilania i programowalnymi opcjami zarządzania ładowaniem, które zapewniają najwyższą elastyczność projektowania. Do napędzania ADP509x można wykorzystać wiele ujęć. A także pozyskiwać energię z tego źródła zasilania w celu naładowania akumulatora lub zasilania obciążenia systemu. Do zasilania węzła IoT można spożytkować wszystko, od energii słonecznej (zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz) po generatory termoelektryczne, do pozyskiwania zasobów cieplnych z ciała w zastosowaniach do noszenia czy termikę silnika w systemach przemysłowych. Inną opcją jest gromadzenie energii z wykorzystaniem systemów piezoelektrycznych. Co dodaje kolejną sposobność nabywania elastyczności — jest to fajna możliwość, na przykład, aby uzyskać moc z działającego, wibrującego silnika.
Rys.6. Schemat blokowy ADP5090 w aplikacji do zbioru energii.
Innym urządzeniem, które może być zasilane ze źródła piezoelektrycznego, jest ADP5304, które działa z bardzo niskim prądem spoczynkowym (typowo 260 nA bez obciążenia). Dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań związanych ze zbieraniem energii z ujęć o małej mocy wyjściowej. Karta katalogowa tego układu zawiera typową aplikację w systemie gromadzenia zasobów (patrz rysunek 7), napędzaną ze źródła piezoelektrycznego i używaną do dostarczania zasilania do przetwornika ADC czy chipa do komunikacji radiowej.
Rys.7. Schemat przykładowej aplikacji ze źródłem piezoelektrycznym, obsługiwanym przez układ ADP5304.
Zarządzanie energią
Kolejnym obszarem, który powinien być częścią każdej dyskusji dotyczącej aplikacji z ograniczonym budżetem mocy, jest zarządzanie zasilaniem. Rozpoczyna się to od kalkulacji budżetu mocy dla aplikacji przed przyjrzeniem się różnym rozwiązaniom. Ten niezbędny krok pomaga projektantowi zrozumieć, jakie są kluczowe komponenty i ile energii realnie potrzebują. Wpływa to na decyzję o wyborze baterii, akumulatora, doborze systemu do poboru zasobów lub ich kombinacji jako sposobu na zasilanie.
Częstotliwość, z jaką urządzenie IoT zbiera sygnały i wysyła je z powrotem do punktu centralnego lub chmury, to kolejny ważny szczegół, który ma duży wpływ na całkowite zużycie energii. Powszechną techniką jest odpowiednio dobrany cykl pracy układu lub wydłużenie czasu między wybudzeniem urządzenia w celu zgromadzenia i/lub przesłania danych.
Korzystanie z trybów czuwania na każdym ze sprzętów elektronicznych (jeśli są dostępne) jest również przydatnym narzędziem przy próbie zarządzania wykorzystaniem zasobów w systemie.
Podsumowanie
Podobnie jak w przypadku wszystkich aplikacji elektronicznych, ważne jest, aby na jak najwcześniejszym etapie projektowania rozważyć wszystkie aspekty związane z zasilaniem. Jest to jeszcze istotniejsze w ujęciach o ograniczonej mocy, takich jak systemy IoT. Opracowanie budżetu mocy we wczesnej fazie procesu może pomóc twórcy całości zidentyfikować najbardziej wydajną ścieżkę. A także odpowiednie elementy, które sprostają wyzwaniom stawianym przez te aplikacje, co pozwoli osiągnąć wysoką sprawność energetyczną przy małych rozmiarach rozwiązania.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/what-are-the-best-applications-for-iot-in-the-new-world-of-ic-power-management.html
Fajne? Ranking DIY

