Používání mikrokontroléru pro získávání energie k eliminaci výměny baterie v aplikacích IoT

Konstruktéři neomezených zařízení internetu věcí (IoT) hledají neustále lepší způsoby, jak tato zařízení napájet, aby se minimalizovaly prostoje ve spotřebitelských, komerčních nebo průmyslových aplikacích. Primární baterie je třeba neustále sledovat a při jejich případné výměně dochází k významnému problému s likvidací. Nabíjecí baterie řeší problém s likvidací, ale zařízení je třeba demontovat, dobít a znovu smontovat.

Omezení tradičních přístupů vedlo ke zvýšenému zájmu o techniky získávání energie, při nichž se k napájení zařízení využívá energie okolního prostředí. Problém pro konstruktéry spočívá v tom, že obvody potřebné k získávání energie a nabíjení baterií mohou významně přispět ke složitosti, velikosti a ceně návrhu.

V tomto článku je stručně vysvětleno použití získávání energie v aplikacích IoT a popsány některé výzvy, kterým konstruktéři čelí. Poté je zde uveden přístup, který se s těmito výzvami vypořádává integrací obvodů pro získávání energie a správu nabíjení baterie na mikrokontroléru (MCU). Pomocí ukázkových řešení zařízení a souvisejících vyhodnocovacích desek od společnosti Renesas si v článku ukážeme, jak aplikovat přístup k efektivní eliminaci potřeby výměny baterií v zařízeních IoT.

Proč pro IoT využívat získávání energie?

Získávání energie je atraktivním řešením pro aplikace IoT, jako jsou bezdrátové senzorové systémy s nízkou spotřebou, ve kterých je možné nasazení zcela bezdrátových zařízení, která pak vyžadují malou nebo žádnou údržbu. Tato zařízení obvykle stále potřebují nabíjecí baterii nebo superkondenzátor, aby splnila požadavky na špičkový výkon.

V zásadě může systém díky získávání energie z okolního prostředí nasazovat menší zařízení pro skladování energie a prodloužit jeho životnost. Výsledný návrh IoT se zase může potenciálně vejít do menšího balíčku, pokud funkce získávání energie přidává systému jen málo dalších součástí návrhu. V praxi však potřeba dalších komponent pro implementaci získávání energie zmařila pokusy zmenšit půdorys návrhu.

Problém je v tom, že napájecí zdroj pro získávání energie obvykle vyžaduje samostatná zařízení pro získávání energie z okolního prostředí a pro zajištění správného řízení nabíjení zařízení pro skladování energie, jako jsou nabíjecí baterie nebo superkondenzátor. Přidají-li se tyto komponenty k již minimalistickému designu bezdrátového systému zahrnujícímu MCU, senzor a vysokofrekvenční (RF) transceiver, mohou tyto další funkce přeměnit jednoduchý design s několika díly na relativně složitý systém (obrázek 1).

Obrázek 1: Využití získávání energie v zařízeních IoT může jejich uživatelům ulevit od starostí spojených s údržbou baterií, ale přidané požadavky obvykle vedou ke skokově větším zařízením, větší složitosti návrhu a vyšším nákladům. Všechny tyto faktory jsou v rozporu s požadavky na neomezující návrhy IoT. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Minimalizace komponent pro návrhy IoT

Do dnešního dne bylo mnoho různých komponent potřebných pro získávání energie integrováno do specializovaných modulů a integrovaných obvodů řízení spotřeby energie (PMIC), jako jsou zařízení LTC3105/LTC3107 od společnosti Analog Devices, S6AE101A od společnosti Cypress Semiconductor, MCRY12-125Q-42DIT od společnosti Matrix Industries a mnoho dalších. Taková zařízení poskytují regulovanou napěťovou úroveň ze solárního článku, termoelektrického generátoru (TEG), piezoelektrického převodníku vibrací nebo jiného zdroje energie. Jako taková mohou sloužit jako kompletní napájecí zdroj získávání energie pro základní návrh hardwaru IoT. Konstruktéři přesto musí dál posouvat hranice, aby splnili požadavky aplikace a zachovali nebo získali konkurenční výhodu.

Řada MCU RE01 společnosti Renesas pomáhá tyto cíle plnit, protože dále posunuje integrační přístup tím, že do zařízení zahrnuje řídicí jednotku získávání energie (EHC). Ve skutečnosti může mikrokontrolér RE01 používat svou vestavěnou jednotku EHC k nabíjení sekundární baterie a zároveň napájet zbytek zařízení. MCU RE01 je tedy více než jen zařízení na získávání energie – do své jednotky EHC zabudovává 64MHz jádro Arm® Cortex®-M0+, paměť flash na čipu, blok TSIP (Trusted Secure Intellectual Property), 14bitový analogově-digitální převodník (ADC), časovače a několik periferních rozhraní (obrázek 2).

Obrázek 2: Řada mikrokontrolérů RE01 společnosti Renesas, vytvořená ke zjednodušení konstrukce zařízení napájeného baterií, kombinuje kompletní řídicí jednotku získávání energie s jádrem procesoru Arm Cortex-M0+ s nízkou spotřebou energie, pamětí flash na čipu a několika periferními zařízeními a rozhraními. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Mikrokontrolér RE01 je navržen tak, aby zjednodušil implementaci zařízení IoT napájených baterií, a integruje komplexní sadu příslušných periferních funkcí. Spolu s ADC a sériovým rozhraním pro integraci snímačů obsahuje zařízení řídicí obvod ovladače motoru (blok „MTDV“ na obrázku 2), který je schopen řídit až tři motory, dále zdroj konstantního proudu schopný řídit tři externí světelné diody (LED) a generátor impulzů s nízkou rychlostí (LPG). Pro výstup displeje integruje MCU RE01 grafický akcelerátor pro dvourozměrné (2D) zpracování obrazu a také řadič displeje z tekutých krystalů (LCD) typu MIP (Memory-in-Pixel). Pro požadavky na řízení v reálném čase obsahuje MCU také časovač sledovacích požadavků, hodiny reálného času (RTC) a obvod pro korekci hodin (CCC), který udržuje přesnost hodin. U softwarového kódu a dat kombinuje řada RE01 výše uvedené funkce v zařízeních řady, včetně modelů R7F0E015D2CFP (RE01 1500 kB) s 1500 kB paměti flash a R7F0E01182CFM (RE01 256 kB) s 256 kB paměti flash.

Díky svým funkcím poskytuje MCU RE01 spoustu možností pro nalezení požadované rovnováhy mezi výkonem a spotřebou energie. MCU může běžet v několika provozních režimech, které minimalizují spotřebu energie snížením provozní frekvence ze svého maxima 64 MHz na 32,768 kHz v režimu nízkého svodového proudu, s mezifrekvencemi v normálním provozním režimu 32 MHz nebo 2 MHz. Při typickém provozu spotřebovává mikrokontrolér R7F0E015D2CFP RE01 1500 kB obvykle pouze 35 µA/MHz aktivního proudu a pouze 500 nA proudu v pohotovostním režimu při 1,62 V. Jeho 14bitový ADC potřebuje pouze 4 µA a přepisování programování paměti flash vyžaduje pouze asi 0,6 mA. Při zajišťování napájení pro tyto běžné operace integruje jednotka EHC mikrokontroléru RE01 rozsáhlou sadu funkcí navržených pro usnadnění implementace získávání energie a správy baterií.

Integrovaná řídicí jednotka pro získávání energie zjednodušuje návrh

Díky integrované jednotce EHC je implementace mikrokontrolérů RE01 pro získávání energie spíše rutinní operací. Vývojáři potřebují pouze připojit prvek generující energii, jako je solární článek, TEG nebo převodník vibrací, přímo k pinům VSC_VCC a VSC_GND mikrokontroléru. Pokud je k dispozici dostatek energie okolního prostředí, může jednotka EHC řídit výstupní piny MCU k nabíjení sekundární baterie (VBAT_EHC), akumulačního kondenzátoru (VCC_SU) a dalších externích zařízení (obrázek 3).

Obrázek 3: Integrovaná řídicí jednotka MCU RE01 pro získávání energie společnosti Renesas umožňuje vývojářům rychle využívat výhody získávání energie. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Jednoduchost návrhu vychází z celé sady funkčních bloků obsažených v MCU RE01, jak je znázorněno na obrázku 4.

Obrázek 4: Integrovaná řídicí jednotka MCU RE01 pro získávání energie společnosti Renesas obsahuje všechny funkce potřebné k využití prvku generujícího energii ke generování požadovaných napěťových výstupů. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Spolu se svými funkčními bloky poskytuje EHC několik obvodů pro monitorování napětí a také několik stavových a řídicích registrů pro orchestraci dodávání energie. Například příznak stavu prvku generujícího energii (ENOUT) označuje, zda tento prvek generuje proud. Naopak příznak monitorování cíle nabíjení (CMPOUT) označuje, zda je nabíjecí napětí přivedeno na sekundární baterii nebo na akumulační kondenzátor. Každá z těchto funkcí hraje svou roli, protože EHC postupuje prostřednictvím provozních stavů spojených se spuštěním, běžnými operacemi a vybitím baterie (obrázek 5).

Obrázek 5: Pomocí monitorů interního napětí, stavových příznaků a registrů podporuje integrovaná řídicí jednotka pro získávání energie MCU RE01 společnosti Renesas celou sekvenci nabíjení od počátečního nabíjení až po vybití. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Když je prvek generující energii připojen k MCU, přejde EHC do doby počátečního nabíjení. Zde EHC umožňuje tok energie na VCC_SU, nabíjení akumulačního kondenzátoru, dokud úroveň napětí na VCC_SU nepřekročí určitou prahovou úroveň napětí, VCC_SU_H. V tomto okamžiku poté EHC použije akumulační kondenzátor a začne dodávat energii do systémové domény, VCC. Když VCC překročí výkon prahového napětí (VPOR), signál resetování při zapnutí se zvýší, uvolní zařízení z resetu a současně se zvýší příznak ENOUT, což znamená, že prvek generující energii je aktivní.

Po uvolnění resetu po zapnutí je registr řízení nabíjení VBAT_EHC jednotky EHC, VBATCTL, nastaven na 11b, což zařízení umožňuje začít nabíjet sekundární baterii. Ve skutečnosti během tohoto období střídá EHC svůj nabíjecí výstup mezi sekundární baterií a akumulačním kondenzátorem, aby udržoval dodávání VCC během nabíjení baterie. Když napětí akumulačního kondenzátoru klesne pod nižší prahovou úroveň napětí, VCC_SU_L, přepne EHC napájení na VCC_SU, dokud nedosáhne horní prahové hodnoty VCC_SU_H, přičemž v tomto okamžiku obnoví nabíjení sekundární baterie. Tento proces pokračuje, dokud napětí akumulátoru na VBAT_EHC nedosáhne prahové hodnoty VBAT, VBAT_CHG (obrázek 6).

Obrázek 6: I poté, co integrovaná řídicí jednotka získávání energie (EHC) MCU RE01 společnosti Renesas začne nabíjet baterii zařízení, EHC nadále udržuje nabití na akumulačním kondenzátoru, který zajišťuje napájení systému VCC, dokud není baterie plně nabitá. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Po nabití baterie se nastaví bit QUICKMODE, což způsobí, že EHC přejde do stabilního provozního stavu. V tomto stavu pokračuje EHC v nabíjení baterie z prvku generujícího energii a současně dodává energii z baterie do domény VCC.

Pokud okolní energie poklesne a prvek generující energii přestane dodávat energii, EHC nadále dodává VCC z baterie. Nakonec monitor interního napětí zjistí, že pin VBAT_EHC klesl pod přednastavenou prahovou hodnotu V_det1 a bit QUICKMODE se vynuluje. Jakmile je tento bit nastaven, napájení se přeruší do domény VCC a inicializují se registry EHC. Další snížení VCC pod V_POR způsobí, že zařízení resetuje signál resetování při zapnutí. Chcete-li obnovit provoz, musí zařízení odpovídajícím způsobem provést počáteční nabíjecí sekvenci poté, co energie okolního prostředí vzroste na dostatečnou úroveň.

Vyhodnocovací sada pomáhá rychlému prototypování

Zatímco zabudovaná EHC mikrokontroléru RE01 eliminuje potřebu dalších komponent, pro využití jeho funkcí vývojáři stále potřebují nakonfigurovat zařízení a provést předepsanou řadu operací uvedených výše. Společnost Renesas poskytuje vývojářům vyhodnocovací sady RTK70E015DS00000BE a RTK70E0118S00000BJ připravené k použití s modely RE01 1500 kB a RE01 256 kB, které vývojářům pomohou rychle přejít k rychlému prototypování a vlastnímu vývoji s řadou RE01. Sada RE01 1500 kB nabízí ve skutečnosti vývojovou platformu na klíč, která obsahuje desku MCU RE01 1500 kB (obrázek 7), rozšiřující desku LCD, solární panel a kabel USB. Spolu s MCU RE01 obsahuje vývojová deska akumulační superkondenzátor, konektor pro externí nabíjecí baterii, spínače, diody LED, integrovaný debugger a několik konektorů rozhraní, včetně patice Arduino Uno.

Obrázek 7: Vyhodnocovací sada RE01 1500 kB společnosti Renesas obsahuje desku MCU RE01 1500 kB s integrovaným debuggerem a několika možnostmi rozhraní navrženými pro usnadnění vyhodnocení, prototypování a vlastního vývoje. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Spolu s hardwarovou vývojovou platformou poskytovanou ve vyhodnocovací sadě poskytuje společnost Renesas komplexní sadu softwarových balíčků navržených ke spuštění v rámci integrovaného vývojového prostředí (IDE) vestavěné pracovní plochy společnosti IAR Systems nebo vlastního IDE Studio ² společnosti Renesas. Software, který je postaven na balíčku ovladačů CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard), používá softwarové konstrukce známé vývojářům kódu pro procesory založené na produktech Arm.

Snad nejdůležitější je, že ukázkové rutiny v softwarových balíčcích Renesas poskytují spustitelnou šablonu pro vývoj vlastního softwaru. Například implementace provozní sekvence EHC zobrazené na obrázku 5 vyžaduje doprovodnou sérii inicializačních postupů potřebných k minimalizaci spotřeby energie během klíčových fází, jako je počáteční nabíjení a sekundární nabíjení baterie. Rutina spouštění dodávaná s ukázkovým softwarem ukazuje každý z těchto inicializačních a instalačních postupů. Ještě lepší je, že společnost Renesas poskytuje vývojářům cestu bez překážek k použití této spouštěcí rutiny ke změně parametrů podle potřeby a vložení vlastního softwarového kódu do spouštěcí sekvence (obrázek 8).

Obrázek 8: Ukázkový kód pro spuštění funkcí získávání energie MCU RE01, zahrnutý v distribuci softwaru Renesas, demonstruje každý požadovaný krok, přičemž zdůrazňuje, kde mohou vývojáři upravit parametry nebo vložit svůj vlastní softwarový kód. (Zdroj obrázku: společnost Renesas)

Pomocí vyhodnocovací sady společnosti Renesas a souvisejících softwarových balíčků mohou vývojáři rychle prozkoumat různé provozní režimy MCU RE01 a vyhodnotit metody získávání energie. Později poskytuje toto prostředí efektivní platformu pro rychlé prototypování jejich vlastních aplikací a vlastní vývoj.

Závěr

Získávání energie nabízí efektivní řešení pro zmenšení velikosti baterie a prodloužení výdrže baterie v systémech s nízkou spotřebou energie, jako jsou zařízení IoT, ale tento přístup může významně přispět k celkové velikosti, složitosti a nákladům návrhu. Je zapotřebí integrovanější přístup.

Řada MCU od společnosti Renesas obsahuje několik funkčních bloků a periferií a zahrnuje kompletní subsystém získávání energie na čipu, který zefektivňuje a zjednodušuje návrh systému získávání energie. Díky spolupráci s vývojovými deskami a softwarem mohou vývojáři rychle vyhodnotit, prototypovat a vytvářet vlastní návrhy, které dokáží plně využívat výhod získávání energie pomocí malých a levných zařízení.