Használjon energiagyűjtő mikrovezérlőt az IoT akkumulátor cseréjének kiküszöbölésére

A dolgok internete (IoT) független eszközeinek tervezői folyamatosan keresik a jobb energiaellátás módjait, hogy minimalizálják az állásidőt a fogyasztói, kereskedelmi és ipari alkalmazásokban. A elemeket folyamatosan ellenőrizni kell és amikor végül kicserélik őket, jelentős problémát jelentenek az ártalmatlanításuk miatt. Az újratölthető akkumulátorok megoldják az ártalmatlanítás problémáját, de a készülékeket szét kell szerelni, újra kell tölteni és újra össze kell szerelni.

A hagyományos megközelítések korlátai miatt megnőtt az érdeklődés az olyan energiagyűjtési technikák iránt, amelyek a környezeti energiát használják fel az eszköz energiaellátására. A tervezők számára a problémát az jelenti, hogy az energiagyűjtéshez és az akkumulátorok töltéséhez szükséges áramkörök jelentősen növelhetik a berendezés bonyolultságát, méretét és költségeit.

Ez a cikk röviden ismerteti az energiagyűjtés IoT alkalmazásokban való felhasználásának lehetőségét és felvázolja a tervezők előtt álló kihívásokat. Ezután egy olyan megközelítést mutat be, amely ezeket a kihívásokat az energiagyűjtő és az akkumulátortöltés-kezelő áramkörök mikrovezérlőbe (MCU) integrálásával oldja meg. A cikk a Renesas által kínált példamegoldások és a kapcsolódó kiértékelő kártyák segítségével mutatja be, hogyan lehet alkalmazni a megközelítést az IoT eszközökben az akkumulátorcsere szükségességének hatékony kiküszöbölésére.

Miért érdemes energiagyűjtést használni az IoT-ben?

Az energiagyűjtés vonzó megoldás az IoT alkalmazások, például az alacsony fogyasztású vezeték nélküli érzékelőrendszerek területén, ahol is lehetővé teszi a teljesen vezeték nélküli, karbantartást alig vagy egyáltalán nem igénylő eszközök telepítését. Ezeknek az eszközöknek általában még mindig szükségük van újratölthető akkumulátorra vagy szuperkondenzátorra a csúcsteljesítmény-igény kielégítéséhez.

Elvben a környezeti energia felhasználásával a rendszer kisebb energiatároló eszközt használhat és meghosszabbíthatja annak hasznos élettartamát. Az így létrejövő IoT eszköz viszont potenciálisan kisebb méretben is elfér, amennyiben az energiagyűjtési funkciók csak kis mértékben növelik az alkatrészszámot. A gyakorlatban azonban az energiagyűjtés megvalósításához szükséges további alkatrészek szükségessége meghiúsítja a helyigény csökkentésére irányuló kísérleteket.

A probléma az, hogy egy energiagyűjtő áramforrás általában külön eszközöket igényel a környezeti energia összegyűjtéséhez és a megfelelő töltéskezelés biztosításához egy energiatároló eszköz, például egy újratölthető akkumulátor vagy szuperkondenzátor számára. Egy MCU-ból, érzékelőből és rádiófrekvenciás (RF) adó-vevőből álló, amúgy is minimalista vezeték nélküli rendszerhez hozzáadva ez a kiegészítő funkció egy egyszerű, kevés alkatrészből álló eszközt is viszonylag bonyolulttá tehet (1. ábra).

1. ábra: Az IoT eszközökben az energiagyűjtés alkalmazása megszabadíthatja a felhasználókat az akkumulátorok karbantartásával járó gondoktól, de a hozzáadott követelmények jellemzően egyre nagyobb eszközöket, nagyobb tervezési bonyolultságot és magasabb költségeket eredményeztek; mindezek ellentétesek a független IoT tervezés elvárásaival. (A kép forrása: Renesas)

IoT eszközökhöz való komponensek minimalizálása

Mostanáig az energiagyűjtéshez szükséges különböző komponensek nagy részét speciális modulokba és energiagazdálkodási integrált áramkörökbe (PMIC) integrálták, ilyen például az Analog Devices LTC3105/LTC3107, a Cypress Semiconductor S6AE101A, a Matrix Industries MCRY12-125Q-42DIT terméke és sok más. Az ilyen eszközök napelemtől, termoelektromos generátortól (TEG), piezoelektromos rezgésátalakítótól vagy más energiaforrástól származó szabályozott tápfeszültséget szolgáltatnak. Mint ilyenek, teljes energiagyűjtő tápellátásként szolgálhatnak egy alap IoT hardvereszköz számára. A tervezőknek mégis feszegetniük kell a határokat, hogy megfeleljenek az alkalmazási követelményeknek és megtartsák vagy elérjék a versenyelőnyt.

A Renesas RE01 MCU család segíti ezeket a célokat, mivel továbbviszi az integrációs megközelítést azáltal, hogy az eszközbe egy energiagyűjtés-vezérlőt (EHC) is beépít. Valójában egy RE01 MCU képes a beépített EHC-t egy akkumulátor töltésére használni, miközben biztosítja a rendszer tápellátását az eszköz többi része számára. Az RE01 több mint egy egyszerű energiagyűjtő eszköz, az EHC 64 MHz-es Arm® Cortex®-M0+ magot, lapkán elhelyezett flash memóriát, egy TSIP blokkot, egy 14 bites analóg-digitális átalakítót (ADC), időzítőket és több periféria interfészt tartalmaz (2. ábra).

2. ábra: A Renesas RE01 mikrovezérlő család az akkumulátorral működő eszközök felépítésének egyszerűsítésére készült, egy teljes energiagyűjtő vezérlőt kombinál egy alacsony fogyasztású Arm Cortex-M0+ processzormaggal, lapkán elhelyezett flash memóriával, valamint számos perifériával és interfésszel. (A kép forrása: Renesas)

Az akkumulátoros IoT eszközök megvalósításának egyszerűsítésére tervezett RE01 a releváns perifériás funkciók átfogó készletét integrálja. Az érzékelők integrálására szolgáló ADC és soros interfészek mellett az eszköz tartalmaz egy motormeghajtó vezérlő áramkört („MTDV” blokk a 2. ábrán), amely akár három motort is képes meghajtani; egy állandó áramforrást, amely három külső fénykibocsátó diódát (LED) tud mműködtetni; valamint egy alacsony sebességű impulzusgenerátort (LPG). A kijelző kimenethez az RE01 MCU kétdimenziós (2D) képfeldolgozásra alkalmas grafikus gyorsítóval, valamint egy MIP folyadékkristályos kijelző (LCD) vezérlővel rendelkezik. A valós idejű vezérlési követelmények kielégítésére az MCU tartalmaz egy watchdog időzítőt, egy valós idejű órát (RTC) és egy órajel-korrekciós áramkört (CCC), amely fenntartja az órajel pontosságát. A szoftverkód és az adatok számára az RE01 család a fent említett funkciókat egyesíti a tageszközökben, beleértve az R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) eszközt 1500 kbyte flash memóriával és az R7F0E01182CFM (RE01 256KB) eszközt 256 kbyte flash memóriával.

Funkcionális képességei mellett az RE01 MCU számos lehetőséget kínál a teljesítmény és az energiafogyasztás közötti szükséges egyensúly megtalálására. Az MCU többféle üzemmódban is működhet, amelyek minimalizálják az energiafogyasztást azáltal, hogy a működési frekvenciát a maximális 64 MHz-es frekvenciáról 32,768 kHz-re csökkentik az alacsony szivárgási áramú üzemmódban, a normál üzemmód 32 MHz-es vagy 2 MHz-es köztes frekvenciái mellett. Tipikus üzemmódban az R7F0E015D2CFP RE01 1500KB aktív áramfelvétele jellemzően csak 35 µA/MHz, készenléti üzemmódban pedig csak 500 nA 1,62 V feszültségen. A 14 bites ADC mindössze 4 µA-t fogyaszt és a flash program újraírásához csak 0,6 mA szükséges. Az RE01 MCU EHC-je a normál műveletekhez szükséges tápellátás biztosítása során számos olyan képességet integrál, amelyek célja az energiagyűjtés és az akkumulátorkezelés megvalósításának megkönnyítése.

Integrált energiagyűjtés vezérlő egyszerűsíti a berendezést

Az integrált EHC-nek köszönhetően az RE01 MCU-k az energiagyűjtés megvalósítását lényegében rutinfeladattá teszik. A fejlesztőknek csak egy áramtermelő elemet, például napelemet, TEG-t vagy rezgésátalakítót kell közvetlenül az MCU VSC_VCC és VSC_GND kivezetéseihez csatlakoztatniuk. Ha elegendő környezeti energia áll rendelkezésre, az EHC képes ellátni az MCU kimeneteit egy akkumulátor (VBAT_EHC), egy tárolókondenzátor (VCC_SU) és más külső eszközök töltéséhez (3. ábra).

3. ábra: A Renesas RE01 MCU integrált energiagyűjtő vezérlője lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy gyorsan kihasználják az energiagyűjtés előnyeit. (A kép forrása: Renesas)

Az elrendezés egyszerűsége az RE01 MCU-ban található funkcionális blokkok készletének teljességéből ered, amint az a 4. ábrán látható.

4. ábra: A Renesas RE01 MCU integrált energiagyűjtő vezérlője tartalmazza az összes olyan funkciót, amely a szükséges feszültségkimenetek egy energiatermelő elem használatával történő előállításához szükséges. (A kép forrása: Renesas)

Funkcionális blokkjai mellett az EHC több feszültségfigyelő áramkört, valamint több állapot- és vezérlőregisztert is biztosít a tápellátás megszervezéséhez. Például egy áramtermelő elem állapotjelzője (ENOUT) jelzi, hogy az adott elem termel-e áramot. Ezzel szemben a töltési célt figyelő állapotjelző (CMPOUT) azt jelzi, hogy a töltőfeszültség az akkumulátorra vagy a tárolókondenzátorra kerül-e rákapcsolásra. E jellemzők mindegyike szereppel bír abban, ahogyan az EHC végigmegy az indításhoz, a normál működéshez és az akkumulátor kimerüléséhez kapcsolódó működési állapotokon (5. ábra).

5. ábra: A Renesas RE01 MCU integrált energiagyűjtő vezérlője belső feszültségfigyelők, állapotjelzők és regiszterek használatával támogatja a teljes töltési folyamatot a kezdeti töltéstől a kimerülésig. (A kép forrása: Renesas)

Egy energiatermelő elem MCU-hoz való csatlakoztatásakor az EHC belép a kezdeti töltési időszakba. Itt az EHC lehetővé teszi a VCC_SU áramellátását, töltve a tárolókondenzátort, amíg a VCC_SU feszültségszintje meg nem haladja a VCC_SU_H küszöbfeszültség-szintet. Ekkor az EHC a tárolókondenzátor segítségével megkezdi a rendszertartomány, azaz a VCC tápellátását. Amikor a VCC meghaladja a bekapcsolási küszöbfeszültséget (VPOR), a bekapcsolási reset jel magas szintre vált, felszabadítva az eszközt a reset állapotból és egyidejűleg magas szintre kapcsolva az ENOUT jelet, jelezve, hogy az energiatermelő elem aktív.

A bekapcsolási reset feloldása után az EHC VBAT_EHC töltésvezérlő regisztere, a VBATCTL 11b értékre áll, így az eszköz megkezdheti az akkumulátor töltését. Valójában ebben az időszakban az EHC váltogatja a töltőkimenetét az akkumulátor és a tárolókondenzátor között, hogy fenntartsa a VCC tápellátását, miközben az akkumulátor töltődik. Amikor a tárolókondenzátor feszültsége egy alsó küszöbfeszültség-szint (VCC_SU_L) alá esik, az EHC a VCC_SU kivezetésre kapcsolja a tápellátást, amíg annak feszültsége el nem éri a felső küszöbfeszültség-szintet (VCC_SU_H), majd ekkor folytatja az akkumulátor töltését. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg az akkumulátor VBAT feszültsége a VBAT_EHC kivezetésen el nem éri a VBAT_CHG küszöbértéket (6. ábra).

6. ábra: Az EHC azután is fenntartja a VCC rendszerellátását az akkumulátor teljes feltöltéséig biztosító tárolókondenzátor töltését, hogy a Renesas RE01 MCU integrált energiagyűjtő vezérlője (EHC) megkezdte az eszköz akkumulátorának töltését. (A kép forrása: Renesas)

Az akkumulátor feltöltése után megtörténik a QUICKMODE bit beállítása, aminek hatására az EHC stabil működési állapotba lép. Ebben az állapotban az EHC folytatja az akkumulátor töltését az energiatermelő elemről, miközben egyidejűleg az akkumulátorból biztosítja a VCC tápellátását.

Ha a környezeti energia csökken és az energiatermelő elem leállítja a tápellátást, az EHC az akkumulátorról továbbra is táplálja a VCC-t. Végül is a belső feszültségfigyelő érzékeli, hogy a VBAT_EHC feszültsége egy előre beállított küszöbérték, a V_det1 alá esett és a QUICKMODE bit nullázódik. Mihelyt ez a bit 1-be áll, a VCC tartomány tápellátása megszűnik és inicializálódnak az EHC regiszterek . A VCC V_POR alá történő további csökkenésekor az eszköz visszaállítja a bekapcsolási reset jelet. A működés folytatásához a készüléknek megfelelő módon végre kell hajtania a kezdeti töltési szekvenciát, miután a környezeti energia megfelelő szintre emelkedett.

A kiértékelő készlet segíti a gyors prototípus-készítést

Bár az RE01 beépített EHC-je kiküszöböli a további komponensek szükségességét, a funkciók kihasználásához a fejlesztőknek továbbra is konfigurálniuk kell az eszközt és végre kell hajtaniuk a fent említett, előírt műveletsorozatot. Annak érdekében, hogy a fejlesztők gyorsan belevághassanak a gyors prototípus- és egyedi fejlesztésekbe az RE01 családdal, a Renesas az RTK70E015DS00000BE és az RTK70E0118S00000BJ használatra kész kiértékelő készleteket kínálja az RE01 1500KB és az RE01 256KB termékekhez. Az RE01 1500KB készlet egy kulcsrakész fejlesztési platformot nyújt, amely tartalmazza az RE01 1500KB MCU kártyát (7. ábra) egy LCD bővítő kártya, egy napelem és egy USB kábel mellett. Az RE01 MCU-n kívül a fejlesztő kártya tartalmaz egy tároló szuperkondenzátort, egy csatlakozót egy külső újratölthető akkumulátorhoz, kapcsolókat, LED-eket, egy fedélzeti hibakeresőt és több interfészcsatlakozót, köztük egy Arduino Uno csatlakozósort.

7. ábra: A Renesas RE01 1500KB kiértékelő készlet egy RE01 1500KB MCU kártyát tartalmaz fedélzeti hibakeresővel és számos interfész opcióval, amelyek segítik a kiértékelést, a prototípus-készítést és az egyedi fejlesztést. (A kép forrása: Renesas)

A Renesas a kiértékelő készletben található hardverfejlesztő platform mellett egy átfogó szoftvercsomag-készletet is biztosít, a szoftverek az IAR Systems Embedded Workbench integrált fejlesztőkörnyezet (IDE) vagy a Renesas saját e² Studio IDE-je alatti futtatásra alkalmasak. Az Arm Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) illesztőprogram-csomagjára épülő szoftver az Arm alapú processzorok kódjának fejlesztői számára ismerős szoftverszerkezeteket használ.

Talán az a legfontosabb, hogy a Renesas szoftvercsomagokban található mintarutinok futtatható sablont biztosítanak az egyéni szoftverfejlesztéshez. Például az 5. ábrán látható EHC működési szekvenciájának megvalósítása egy sor inicializálási eljárást igényel, amelyek az energiafogyasztás minimalizálásához szükségesek az olyan kulcsfontosságú szakaszokban, mint a kezdeti töltés és az akkumulátor töltése. A mintaszoftverhez mellékelt indítási rutin bemutatja ezeket a inicializálási és beállítási eljárásokat. Még jobb, hogy a Renesas a fejlesztők számára szabad utat biztosít az indítási rutin használatához, hogy szükség szerint módosítsák a paramétereket, és saját szoftverkódot illesszenek be az indítási szekvenciába (8. ábra).

8. ábra: A Renesas szoftverterjesztésben elérhető, az RE01 MCU energiagyűjtési képességeinek beindításához szükséges mintakód bemutatja az egyes szükséges lépéseket, miközben kiemeli, hogy a fejlesztők hol módosíthatják a paramétereket vagy illeszthetik be saját szoftverkódjukat. (A kép forrása: Renesas)

A Renesas kiértékelő készlet és a hozzá tartozó szoftvercsomagok segítségével a fejlesztők gyorsan felfedezhetik az RE01 MCU különböző üzemmódjait és kiértékelhetik az energiagyűjtési módszereket. Később ez a környezet hatékony platformot biztosít a saját alkalmazások és egyedi fejlesztések prototípusainak gyors megvalósításához.

Összegzés

Az energiagyűjtés hatékony megoldást kínál az akkumulátor méretének csökkentésére és élettartamának meghosszabbítására az alacsony fogyasztású rendszerekben, például az IoT eszközökben, de ez a megközelítés jelentősen növelheti a teljes méretet, az összetettséget és a költséget. Integráltabb megközelítésre van szükség.

A Renesas több funkcionális blokkot és perifériát tartalmazó MCU családja egy teljes, a lapkán elhelyezett energiagyűjtő alrendszert tartalmaz, amely racionalizálja és egyszerűsíti az energiagyűjtő rendszerek tervezését. A fejlesztők a kapcsolódó fejlesztő kártyákkal és szoftverekkel dolgozva gyorsan elvégezhetik a kiértékelést, elkészíthetik a prototípusokat és egyedi berendezéseket építhetnek, amelyek kis méretű, olcsó eszközökkel teljes mértékben képesek kihasználni az energiagyűjtés előnyeit.