ИМС ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ В СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

29.05.2023 |

С ростом использования устройств на основе технологии Интернета вещей (IoT) в промышленном оборудовании, системах автоматизации, медицине и других отраслях возрастает потребность в оптимизации управления питанием этих устройств, в том числе на основе альтернативных источников энергии. Это позволяет повысить эффективность, уменьшить потребление, ускорить время заряда аккумулятора, уменьшить размеры узла питания, что особенно важно для портативных устройств.
Интернет вещи – это объекты, которые взаимодействуют друг с другом без участия человека. Это, как правило, интеллектуальные электронные устройства, подключенные к проводной или беспроводной сети, и работающие от аккумуляторной батареи или источника альтернативной энергии. Они включают такие встроенные узлы, как микропроцессоры, АЦП, ЦАП, коммуникационные ИМС, датчики для сбора информации и позволяют выполнять сбор, обработку и передачу данных в центральный процессор или другой узел сети. Это могут быть простые узлы для контроля, например, температуры и влажности воздуха в помещении, и сложные устройства для мониторинга состояния дорогостоящего заводского оборудования.
Области применения устройств на базе технологии IoT почти безграничны. Только в этом году запланировано внедрение более 14 миллиардов новых приложений, выполненных с применением этой технологии. Так, например, приложения на основе интеллектуальных передатчиков собирают данные о параметрах окружающей среды в промышленной теплице для того, чтобы принимать решения об управлении климатом и искусственным поливом.
Портативные приборы, такие как газовые счетчики и системы измерения качества воздуха обеспечивают мониторинг параметров окружающей среды и передают данные в центры слежения за состоянием атмосферы мегаполиса. GPS системы позволяют отслеживать грузовые контейнеры, передвижение домашнего скота, например, коров, с помощью умных ушных клипс и т.п.
Другие приложения Интернета вещей включают носимые медицинские устройства для слежения за состоянием хронических больных или пожилых людей. Промышленные приложения технологии IoT являются основой четвертой промышленной революции, на базе которых создаются умные производства.
Компания Analog Devices (www.analog.com/IoT) сосредоточила свои усилия на создании микроэлектронной элементной базы для следующих пяти направлениях применения технологии Интернета вещей:
1. Интеллектуальные мониторы здоровья – поддержка приложений для мониторинга показателей жизнедеятельности человека, как на клиническом уровне, так и в домашних условиях.
2. Умные фабрики – внедрение Индустрии 4.0 за счет повышения оперативности, гибкости и экономичности производственных процессов.
3. Умные здания, умные города – использование интеллектуальных датчиков для обеспечения безопасности зданий, определения занятости парковочных мест, потребления энергетических и водных ресурсов и т.п.
4. Умное сельское хозяйство – использование новых технологий для автоматизированного ведения сельского хозяйства и повышения эффективности использования ресурсов.
5. Интеллектуальная инфраструктура, основанная на применении мониторинга за состоянием различных объектов промышленного и бытового назначения.

Проблемы проектирования систем на основе технологии Интернета вещей
Большинство устройств и узлов Интернета вещей, как правило, устанавливаются в труднодоступных местах, поэтому они имеют автономное питание. Это связано с тем, что прокладка нового силового кабеля для питания устройств Интернета вещей является дорогостоящей процедурой и требует много времени.
Зависимость устройств Интернета вещей от ресурса батарейного питания приводит к необходимости соблюдать строгий контроль потребления мощности. Еще одним недостатком использования батарейного питания является необходимость замены аккумуляторной батареи после истечения срока ее службы. Сюда входит не только стоимость самой батареи, но и высокая стоимость производственных затрат по замене и утилизации батареи.
Поэтому чрезвычайно важно не только оптимизировать потребляемую мощность, но и минимизировать потребление энергии от батареи.

Потребляемая мощность в системах Интернета вещей
Рассмотрим три возможных сценария работы устройств Интернета вещей с точки зрения обеспечения питания:
1. Устройства, работающие от не перезаряжаемой батареи.
2. Устройства, для которых требуются перезаряжаемые батареи.
3. Устройства, использующие альтернативные источники энергии.
Не перезаряжаемые аккумуляторы предназначены для приложений, в которых питание используется периодически по мере необходимости. В остальное время устройство находится в режиме покоя, в котором оно потребляет минимальное количество энергии. Основным преимуществом использования такого источника питания заключается в простоте, поскольку не нужно использовать схемы подзарядки и управления аккумулятором. Такое решение применяется в недорогих приложениях.
Применительно к первичным аккумуляторам компания Analog Devices предлагает семейства наномощных ИМС – кулонового счетчика LTC3337 и понижающего преобразователя LTC3336, приведенных на рис. 1.

Рис. 1. Схема включения ИМС LTC3337 и LTC3336

Приведенная на рис. 1 схема представляет собой маломощный преобразователь постоянного тока, работающий от входного напряжения до 15 В, с программируемым уровнем пикового выходного тока. Входное напряжение этой схемы может составлять 2,5 В, что делает ее идеальной для приложений с батарейным питанием. Ток покоя этой схемы не превышает 65 нА при отсутствии нагрузки. Приложения с перезаряжаемой батареей предназначены для Интернета вещей с более высокой мощностью потребления, в которых частая замена основной батареи практически невозможна. Применение перезаряжаемых батарей требует более высоких затрат из-за первоначальной стоимости батарей и схемы подзарядки, но в приложениях с более высоким потреблением энергии, когда батареи быстро разряжаются, такие затраты оправданы и быстро окупаются. Подзарядка аккумулятора включает несколько различных режимов в зависимости от типа аккумулятора. Режим заряда литий-ионного аккумулятора показан на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость тока заряда аккумулятора
от напряжения на аккумуляторе

На рис. 3 представлен график подзарядки аккумуляторной батареи из трех аккумуляторов.
Напряжение на аккумуляторе показано красным цветом, а ток заряда – синим. Он заряжается в режиме постоянного тока 2 А, пока напряжение не достигнет значения 12.6 В. Зарядное устройство поддерживает это напряжение в течение времени, определяемого таймером, в нашем случае – время заряда составляет 4 часа.
На рис. 4 приведен пример универсального зарядного устройства на основе ИМС LTC4162, которое может обеспечивать зарядный ток до 3.2 А. Его также можно использовать для подзарядки аккумуляторов от солнечных батарей.

Рис. 3. Напряжение и ток заряда в зависимости от времени

Рис. 4. Универсальное зарядное устройство на основе ИМС LTC4162

Интернет вещей с альтернативными
источниками энергии
При работе с IoT-приложениями и их источниками питания следует учитывать возможность использования альтернативных источников энергии. К таким видам энергии относятся солнечная, пьезоэлектрическая, вибрационная энергия, а также термоэлектрическая или тепловая энергия и энергия высокочастотных волн. На рис. 5 показан достижимый на сегодня уровень альтернативной энергии, который может быть обеспечен разными источниками.

Рис. 5. Источники альтернативной энергии и уровни мощности, необходимые для разных устройств Интернета вещей

Рис. 6. Структурная схема ИМС ADP5090, предназначенная для работы с традиционными и альтернативными источниками энергии

Недостатком альтернативных источников энергии является их более высокая стоимость по сравнению с традиционными источниками, поскольку необходимо иметь первичный преобразователь альтернативной энергии в электрическую, такой, например, как солнечная панель, пьезоэлектрический приемник или элемент Пельтье, а также ИМС для формирования необходимых напряжений и токов для питания узлов Интернета вещей.

Другим недостатком источников альтернативной энергии являются габариты первичных преобразователей, превышающие размеры современных миниатюрных аккумуляторов. Компания Analog Devices имеет в своей программе семейства ИМС для работы с первичными преобразователями альтернативной энергии. Это, например, ИМС семейства ADP509x (рис. 6) и LTC3108, которые могут работать с широким спектром таких источников.

Рис. 7. Схема включения ИМС ADP5304 для организации питания от пьезоэлектрического источника

Для питания узла IoT можно использовать разные типы источников альтернативной энергии: от солнечных батарей до термоэлектрических генераторов для преобразования тепловой энергии в электрическую. Кроме того, могут быть использованы пьезоэлектрические источники как вариант для получения альтернативной энергии.
Другой ИМС, которая может работать от пьезоэлектрического источника, является микросхема ADP5304, имеющая низкий ток покоя (не более 260 нА без нагрузки), что делает ее идеальной для работы с маломощными источниками альтернативной энергии. На рис. 7 приведена схема включения микросхемы ADP5304 для работы от пьезоэлектрического источника и организации питания АЦП или ВЧ ИМС, а также микропроцессора.
Управление энергопотреблением при использовании альтернативных источников энергии
Важной проблемой при использовании маломощных источников энергии является расчет бюджета мощности потребления. Этот расчет помогает разработчикам систем определить ключевые компоненты в системе с точки зрения потребляемой мощности. В конечном итоге такой расчет дает возможность выбрать основную батарею, перезаряжаемую батарею, а также альтернативные источники энергии.

Рабочая частота устройств IoT является еще одним важным параметров при разработке узла управления энергопотреблением, так как она существенно влияет на общее энергопотребление проектируемой системы Интернета вещей. Известным приемом в этом случае является периодическое включение/отключение цепей питания или увеличение времени между выходом устройства из спящего режима для сбора и передачи данных. Использование режимов ожидания в каждом из узлов Интернета вещей также является полезным инструментом при управлении энергопотреблением проектируемой системы Интернета вещей.

ВЫВОДЫ
При проектировании систем на основе технологии Интернета вещей с ограниченным доступом к элементам питания важным является разработка схемы управления энергопотреблением, особенно при использовании маломощных альтернативных источников энергии. Расчет бюджета мощности на ранней стадии процесса проектирования может помочь разработчику системы определить наиболее эффективный пути решения этой задачи. В качестве компонентов для оптимального управления энергопотреблением компания Analog Devices разработала и поставляет на рынок ИМС семейства ADP509x и LTC3108.