En guide til valg og brug af IoT- og IIoT-strømforsyningskilder

De enheder, der er designet til Internet of Things (IoT) og Industrial Internet of Things (IIoT), er ganske vist meget forskelligartede, men fælles for dem alle er, at de har brug for en form for energikilde til datainput, behandling og kommunikation. Den mangfoldige karakter af IoT-enheders funktioner og miljøer har dog resulteret i en lang række primære strømkilder, fra højspændingsledninger til batterier og solceller.

Desuden kræver det omfattende udvalg af funktioner og driftstilstande som "always on" til at lytte og "standby" til hurtig reaktion på indgangssignaler, at de interne strømforsyninger udvælges omhyggeligt. Målet er at maksimere effektiviteten, holde den fysiske størrelse nede og maksimere effekttætheden for anvendelsesformålet uden at gå på kompromis med ydeevnen eller fordre omfattende termisk styring, hvor sidstnævnte kan øge størrelsen, vægten og omkostningerne. En anden overvejelse er brugersikkerhed, som der ikke bør gås på kompromis med.

I denne artikel gennemgås de forskellige typer strømforsyninger, der bruges i IoT-enheder, og der præsenteres nogle eksempler fra RECOM Power, som er designet til at opfylde disse krav.

Lysnetbaserede strømforsyninger

IoT- eller IIoT-enheder, der bruger strøm fra lysnettet, har færre strømbegrænsninger end bærbare enheder. Lysnetstrøm giver generelt faste indgangsspændinger med tilstrækkelige strømstyrkeniveauer. Andre energikilder, som f.eks. solceller, kan have store variationer i spænding og strømstyrkeniveau afhængigt af, hvor kraftigt de belyses, og deres indbyggede spændingsregulering. IoT- eller IIoT-enheder skal være fleksible mht. til indgangsstrøm for at håndtere mulige variationer i indgangsstrømmen.

RECOM Power er en strømforsyningsproducent, der har udviklet en familie af ultrakompakte, fuldt indkapslede 5-watt-strømforsyninger – RAC05-K-serien af AC/DC-moduler – for at imødekomme de fleksibilitetskrav, der er forbundet med IOT- og IIoT-anvendelsesformål.

Disse strømforsyningsmoduler fungerer med indgangsspændinger fra 85 til 264 volt AC (47 til 63 Hz) og 120 til 370 volt DC. Dette næsten universelle indgangsspændingsområde for lysnet gør dem egnede til brug i hele verden såvel i hjemmet som i industrimiljøer. Det understreges yderligere af driftstemperaturområdet for strømforsyningerne: RAC05-K-serien er normeret til at producere fuld effekt i temperaturer fra -25 °C til +50 °C og reduceret udgangseffekt fra +50 °C til +70 °C.

Seriens individuelle modeller har en fast udgangsspænding på enten 3,3, 5, 12, 15 eller 24 volt. RAC05-05SK på 5 volt har et fodaftryk på 1" x 1" (25,4 x 25,4 mm) på printkortet med en højde på 0,65" (16,5 mm). Med en normeret udgangseffekt på 5 watt har effektmodulet en respektabel effekttæthed på 7,7 watt pr. kubiktomme (figur 1).

Figur 1: RECOM RAC05-05SK-effektmodulet klemmer 5 watt ned i en pakke på blot 1" x 1" x 0,65" – det giver en volumetrisk effekttæthed på 7,7 watt pr. kubiktomme. (Billedkilde: RECOM Power)

Disse strømforsyninger har en effektivitet på mere end 80 % og har et tomgangsforbrug på kun 75 mW (milliwatt). Denne kombination gør dem egnede til "Always On" IoT-/IIoT-enheder, hvor høj effektivitet og lavt internt energitab hjælper med at holde enhederne nedkølede.

Hvad angår sikkerhedsmæssige funktioner, har RAC05-K-serien integrerede sikringer samt overspændings- og kortslutningsbeskyttelse. De overholder sikkerhedsstandarderne IEC60950-1 og UL62368-1 samt EN55032 klasse B EMC-grænserne uden nogen eksterne komponenter.

Kombinationen af et stort indgangsspændingsområde, lille størrelse, omfattende sikkerhed og et stort driftstemperaturområde gør disse strømforsyninger ideelle til mange lysnetbaserede IoT- og IIoT-løsninger.

Strømforsyninger egnet til industriel brug

Industrimiljøer fordrer ofte særlige strømforsyninger på grund af de miljømæssige forhold, som enhederne skal bruges i. En af de egnede strømforsyningsserier er RECOM R1SX-serien af DC/DC-konvertere, som har et driftstemperaturområde på -40 °C til +100 °C uden reduktion. Dette temperaturområde vil række til sikker drift under de fleste industrielle forhold. Et eksempel på en enhed fra serien er R1SX-3.305-R, en 1-watt DC/DC-boostkonverter, der kan modtage en indgangsspænding på 3,3 volt og øge den til en udgangsspænding på 5 volt.

Disse konvertere er også DC-isoleret til 1 kV/1 sekund med mulighed for en normering på 3 kV/1 sekund. Isolering er vigtigt i den industrielle verden, hvor jordsløjfer og elektrisk støj er meget almindeligt. Isolering af indgang og udgang er med til at bryde disse jordsløjfer og minimere spredningen af støj.  R1SX-3.3-5 DC/DC-konverteren kan anvendes til at understøtte isolerede datagrænseflader med niveauomskiftning (figur 2).

Figur 2: Opretholdelse af isolation i en datagrænseflade kræver ikke kun en digital isolator, men også isolerede strømforsyninger. Dette kredsløb bruger 3,3 volt på den primære side af isolatoren og 5 volt på den sekundære for at opnå et logisk niveauskifte, samtidig med at skillefladen med galvanisk isolation opretholdes. (Billedkilde: RECOM Power)

DC/DC-strømforsyning til bærbare enheder

Bærbare batteridrevne IoT- eller IIoT-enheder skal være små og have et lavt strømtab. Målet er at forlænge batterilevetiden så meget som muligt for at reducere den uventede nedetid og reducere det arbejde, der kræves for at udskifte batterier i et stort antal enheder. De vigtigste egenskaber ved sådanne design omfatter muligheden for at indstille strømforsyninger i en inaktiv- eller standby-tilstand, når der ikke er brug for den, høj effektivitet og et bredt indgangsspændingsområde, der tager højde for reduktionen i batterispændingen, når batteriet er ved at være opbrugt.

Et eksempel på DC/DC-konvertere med specifikationer, der matcher kravene ifm. bærbart IoT-udstyr, er RECOM R-78S-serien. En af enhederne fra serien, R-78S3.3-0.1, er designet til at producere 3,3 volt fra et 1,5-volt AA-batteri. Serien omfatter også enheder med udgangsspændingsniveauer på 1,8, 3,3 og 3,6 volt, der er beregnet til at forsyne en lang række mikroprocessorer og controllere vha. enkeltcellebatterier. Alle enhederne fungerer ved et spændingsområde fra 3,15 volt ned til 0,65 volt, hvilket gør det muligt at udnytte batteriet ned til den sidste milliwatt. Denne strømkonverter har en høj typisk effektivitet på 93 %, hvilket minimerer strømtabet. Den kan sættes på standby, hvor den kun trækker 7 mikroampere (μA). Denne strømkonverter kombinerer høj effektivitet, standbytilstand og stort indgangsspændingsområde, hvilket gør den ideel til bærbare trådløse IoT-enheder (figur 3).

Figur 3: Et eksempel der illustrerer brugen af nedlukningstilstand for at forlænge batterilevetiden i et trådløst anvendelseseksempel. Et AA-batteri på 2100 mAh kan levere 7 μA i flere årtier. (Billedkilde: RECOM Power, modificeret af Art Pini)

R-78S-serien har også et stort driftsområde på -40 °C til +100 °C – praktisk til en bærbar enhed, der muligvis efterlades i et køretøj under ekstreme vejrforhold.

Eksemplet i figur 3 viser brugen af standby- eller dvaletilstand, hvor systemet kun bruger 20 μW. Når denne tilstand er aktiveret, reduceres kondensatorspændingen (illustreret med den blå streg) fra den fuldt opladede værdi på 3,3 volt, indtil den når en tærskel, der er fastsat af modstandene R1 og R2, hvorefter mikroprocessoren sender konverteren et signal om at vågne op. Systemet trækker kun 200 μA, når konverteren kører i aktiv tilstand, og kondensatoren genoplades samtidig til den næste cyklus. Strømforbruget vil være proportionalt med aktiv/dvaletilstand-cyklussen.

Den lave indgangsspænding for RECOM R-78S-konverterne er en enestående funktion i forbindelse med IoT- eller IIoT-løsninger til energiindvinding. De kan f.eks. bruges til at øge outputtet fra lavspændingskilder som f.eks. solceller eller termoelektriske generatorer (TEG'er) for at oplade et genopladeligt 3,3-volt-batteri (figur 4).

Figur 4: Diagrammet viser brugen af R-78S3.6-0.1 som en boost-konverter, der tager et lavspændingsinput fra en solcelle eller TEG, og øger det til 3,6 volt for at oplade et genopladeligt 3,3-volt-batteri via en diode. Opladning kan begynde med indgangsspændinger ned til 0,65 volt. (Billedkilde: RECOM Power)

Den højere udgangsspænding (3,6 volt versus 3,3 volt) er påkrævet for at oplade cellen via dioden. Dioden forhindrer det fuldt opladede batteri i at drive konverterens udgang. Disse konvertere har også kortslutnings- og temperaturbeskyttelse for at sikre, at de kører pålideligt.

Kredsløb med referencedesign og evalueringskort, der bruger R-78S3.3-0.1

Referencedesign er nyttige til at fastslå, om en komponent opfylder designbehovene. I forbindelse med R-78S-seriens DC/DC-konvertere fungerer de som et praktisk redskab til evaluering af enheden (figur 5).

Figur 5: Referencedesignet for RECOM R-78S-seriens DC/DC-konvertere viser enhedens lille størrelse sammenlignet med et standard AA-batteri. Dette PCB med referencedesign kan indarbejdes i prototyper. (Billedkilde: RECOM Power, modificeret af Art Pini)

RECOM R-REF02-78S-referencedesignet fås som et udfyldt PCB med simple 0,100" headerstik og monteringshuller til nem indarbejdelse i evalueringsprototyper. Aktiveringsstiften til konverteren er ført ud i et headerstik til vurdering af konverterens dvaletilstand.

Til mere grundige enhedstest tilbyder RECOM også et evalueringskort, R-78S3.3-0.1-EVM-1, som har flere testnoder ført ud til headerstik end på referencedesignet (figur 6).

Figur 6: RECOM R-78SS.3-0.1-EVM-1-evalueringskort viser det mere komplette udvalg af tilgængelige testpunkter og en USB-port til kommunikation med enheden, hvis det ønskes. (Billedkilde: RECOM Power)

Evalueringskortet omfatter alle elementer i referencedesignet, men øger adgangen til konverterens indgangs- og udgangsforbindelser. De ekstra jumpere og headerstik er beregnet til at tillade, at der foretages forskellige målinger, og at enhedsparametrene fastlægges. Der medfølger en USB-port til at drive eksterne demonstrationskredsløb.

Konklusion

Strøm til IoT- og IIoT-anvendelsesformål kan leveres på en række forskellige måder, blandt andet via lysnettet, batterier eller energiindvinding. Anvendelsesformålet vil til en vis grad bestemme kravene til strømkilden. Designere har brug for alsidige strømenheder for at sikre, at deres design kan håndtere de mange forskellige driftsscenarier. Med deres store indgangsområde, høje effektivitet, lille størrelse og inaktiv/standby-tilstande, er de ovenfor nævnte RECOM-strømkonverteringsenheder oplagte valg som energikilder til IoT- og IIoT-produkter.