Brug en Energyindvings-MCU til at eliminere IoT-batteriudskiftning

Designere af IoT-enheder (Unethered IoT) er konstant på udkig efter bedre måder at drive disse enheder på for at minimere nedetid på tværs af forbrugere, kommercielle eller industrielle applikationer. Primære batterier skal konstant overvåges, og når de til sidst udskiftes, tilføjer de et betydeligt bortskaffelsesproblem. Genopladelige batterier løser bortskaffelsesproblemet, men enheder skal afmonteres, genoplades og genmonteres.

Begrænsningerne ved traditionelle tilgange har resulteret i øget interesse for teknikker til høst af energi, hvor omgivende energi bruges til at drive en enhed. Problemet for designere er, at de kredsløb, der er nødvendige for at invinde energi og genoplade batterier, kan tilføje designkompleksitet, størrelse og omkostninger betydeligt.

Denne artikel redegør kort for brugen af energiinvinding i IoT-applikationer og beskriver nogle af de udfordringer, som designere står over for. Derefter introducerer den en tilgang, der overvinder disse udfordringer ved at integrere energiinvinding og batteriopladningsstyringskredsløb på en mikrokontroller (MCU). Brug af eksempler på enhedsløsninger og tilhørende evalueringstavler fraRenesas , vil artiklen vise, hvordan man anvender tilgangen til effektivt at eliminere behovet for udskiftning af batteri i IoT-enheder.

Hvorfor bruge energiindvinding til IoT?

energiinvinding er en attraktiv løsning til IoT-applikationer såsom trådløse sensorsystemer med lav effekt, hvor det muliggør implementering af helt ledningsfri enheder, der kræver ringe eller ingen vedligeholdelse. Typisk har disse enheder stadig brug for et genopladeligt batteri eller superkondensator for at imødekomme maksimale effektbehov.

I princippet kan systemet ved at indvinde den omgivende energi anvende en mindre energilagringsenhed og forlænge dets levetid. Til gengæld kan det resulterende IoT-design muligvis passe i en mindre pakke, så længe energiinvindings funktionaliteten tilføjer lidt til designens dele. I praksis frustrerer imidlertid behovet for yderligere komponenter til implementering af energiinvinding forsøg på at reducere designfodaftryk.

Problemet er, at en energiindvindennde strømkilde typisk kræver separate enheder til at høste omgivende energi og sikre korrekt opladningshåndtering for en energilagringsenhed som et genopladeligt batteri eller superkondensator. Føjet til et allerede minimalistisk trådløst systemdesign, der omfatter en MCU, sensor og radiofrekvens (RF) transceiver, kan denne ekstra funktionalitet forvandle et simpelt design med få dele til en relativt kompleks (figur 1).

Figur 1: Brug af energiinvinding i IoT-enheder kan frigøre deres brugere fra hovedpine ved batterivedligeholdelse, men de tilføjede krav har typisk resulteret i stigende større enheder, større designkompleksitet og højere omkostninger; som alle er i modstrid med kravene til et uforbundet IoT-design. (Billedkilde: Renesas)

Minimering af komponenter til IoT-design

Til dato er mange af de forskellige komponenter, der kræves til energiinvinding, blevet integreret i specialiserede moduler og strømstyringsintegrerede kredsløb (PMIC'er) somAnaloge enheder 'LTC3105 /LTC3107 ,Cypress Semiconductor'sS6AE101A ,Matrix Industries 'MCRY12-125Q-42DIT ogmange andre . Sådanne enheder tilvejebringer en reguleret spændingsskinne fra en solcelle, termoelektrisk generator (TEG), piezoelektrisk vibrationstransducer eller anden energikilde. Som sådan kan de fungere som en komplet energiindvindings strømforsyning til et grundlæggende IoT-hardwaredesign. Alligevel skal designere ekspandere for at imødekomme applikationskravene og bevare eller opnå konkurrencemæssige fordele.

RenesasRE01 MCU-familien hjælper med disse mål, da det tager integrationsmetoden yderligere ved at inkludere en energiinvindingsregulator (EHC) i enheden. Faktisk kan en RE01-MCU bruge sin indbyggede EHC til at genoplade et sekundært batteri, mens den leverer systemstrøm til resten af enheden. Mere end blot en energiinvindings enhed inkluderer RE01 sin EHC med 64 megahertz (MHz)Arm® Cortex®-M0 + -kerne, on-chip-flash, en betroet sikker intellektuel ejendomsret (TSIP) -blok, en 14-bit analog-til-digital-konverter (ADC), timere og flere perifere grænseflader (figur 2).

Figur 2: Renesas RE01-MCU-familie er oprettet for at forenkle batteridrevet enhedsdesign og kombinerer en komplet energiinvindingscontroller med en Arm Cortex-M0 + -processorkerne med lav effekt, Flash på chip og flere eksterne enheder og grænseflader. (Billedkilde: Renesas)

RE01 er designet til at forenkle implementeringen af batteridrevne IoT-enheder og integrerer et omfattende sæt relevante perifere funktioner. Sammen med sine ADC og serielle interfaces til sensor-integration inkluderer enheden et motordriverkontrolkredsløb ("MTDV" -blok i figur 2), der er i stand til at køre op til tre motorer; en konstant strømkilde, der er i stand til at drive tre eksterne lysdioder (LED'er); og en lavhastighedsimpulsgenerator (LPG). Til displayoutput integrerer RE01 MCU en grafisk accelerator til todimensionel (2D) billedbehandling samt en hukommelse-i-pixel (MIP) LCD-controller (Liquid Crystal Display). Til realtidskontrolkrav inkluderer MCU også en vagthundtimer, et realtidsur (RTC) og urkorrektionskredsløb (CCC), der opretholder clock-præcision. For softwarekode og data kombinerer RE01-familien ovennævnte funktionalitet i medlemsenheder inklusiveR7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) med 1500 Kbytes Flash ogR7F0E01182CFM (RE01 256KB) med 256 kilobytes (Kbytes) Flash.

Sammen med sine funktionelle muligheder giver RE01-MCU'en masser af muligheder for at finde den nødvendige balance mellem ydeevne og strømforbrug. MCU'en kan køre i flere driftstilstande, der minimerer strømforbruget ved at reducere driftsfrekvensen fra dens maksimale 64 MHz-hastighed ned til 32,768 kilohertz (kHz) i en tilstand med lav lækstrøm med mellemfrekvenser i normal driftstilstand på 32 MHz eller 2 MHz . I typisk drift forbruger R7F0E015D2CFP RE01 1500KB typisk kun 35 mikroampere pr. Megahertz (µA/MHz) aktiv strøm og kun 500 nanoamp (nA) strøm i standbytilstand ved 1,62 volt. Dens 14-bit ADC trækker kun 4 µA, og Flash-programmeringsomskrivninger behøver kun ca. 0,6 milliampere (mA). Ved at levere forsyningen til disse normale operationer integrerer RE01-MCU'ens EHC et omfattende sæt funktioner designet til at lette implementeringen af energiinvinding og batteristyring.

Integreret controller til energiinvinding forenkler design

Takket være den integrerede EHC gør RE01-MCU'erne implementering af energiindvind til en ret rutinemæssig operation. Udviklere behøver kun at forbinde et strømgenererende element såsom en solcelle, TEG eller vibrationstransducer direkte til MCU's VSC_VCC og VSC_GND-ben. Når tilstrækkelig omgivelsesenergi er tilgængelig, kan EHC køre MCU-udgangsstifter til at oplade et sekundært batteri (VBAT_EHC), en lagerkondensator (VCC_SU) og andre eksterne enheder (figur 3).

Figur 3: Renesas RE01 MCU's integrerede energiinvindingscontroller lader udviklere hurtigt drage fordel af energiinvinding. (Billedkilde: Renesas)

Designets enkelhed stammer fra det fulde sæt funktionelle blokke indeholdt i RE01 MCU som vist i figur 4.

Figur 4: Renesas RE01-MCU's integrerede energiinvindingsregulator inkluderer al den funktionalitet, der kræves for at udnytte et strømgenererende element til at generere de krævede spændingsudgange. (Billedkilde: Renesas)

Sammen med sine funktionelle blokke leverer EHC flere spændingsovervågningskredsløb samt flere status- og kontrolregistre til orkestrering af strømforsyning. For eksempel angiver et strømgenererende element statusflag (ENOUT), om det element genererer strøm. Omvendt angiver et overvågningsflag for opladningsmål (CMPOUT), om der pålægges opladningsspænding til det sekundære batteri eller til lagerkondensatoren. Hver af disse funktioner spiller en rolle, når EHC fortsætter gennem de operationelle tilstande, der er forbundet med opstart, normal drift og batteriets udmattelse (figur 5).

Figur 5: Ved hjælp af interne spændingsmonitorer, statusflag og registre understøtter Renesas RE01 MCU's integrerede energihøsteregulator hele opladningssekvensen fra initial opladning til udmattelse. (Billedkilde: Renesas)

Når et strømgenererende element er forbundet til MCU'en, går EHC ind i den første opladningsperiode. Her muliggør EHC-strøm til VCC_SU og oplader lagringskondensatoren, indtil spændingsniveauet på VCC_SU overstiger et specifikt tærskelspændingsniveau, VCC_SU_H. På dette tidspunkt bruger EHC derefter lagerkondensatoren til at begynde at levere strøm til systemdomænet, VCC. Når VCC overstiger strømforsyningen ved tærskelspænding (VPOR), bliver nulstillingssignalet tændt højt, hvilket frigiver enheden fra nulstilling og samtidig bringer ENOUT højt, hvilket indikerer at det strømgenererende element er aktivt.

Når strømmen til nulstilling frigøres, er EHC's VBAT_EHC opladningsregistreringsregister, VBATCTL, indstillet til 11b, så enheden kan begynde at oplade det sekundære batteri. Faktisk skifter EHC i løbet af denne periode sit opladningsoutput mellem det sekundære batteri og lagerkondensatoren for at opretholde VCC-forsyningen, mens batteriet oplades. Når lagringskondensatorens spænding falder under et lavere tærskelspændingsniveau, VCC_SU_L, skifter EHC strømmen til VCC_SU, indtil den når den øvre tærskel VCC_SU_H, på hvilket tidspunkt den genoptager opladning af det sekundære batteri. Denne proces fortsætter, indtil lagerbatteriets spænding på VBAT_EHC når VBAT-tærsklen, VBAT_CHG (figur 6).

Figur 6: Selv efter at Renesas RE01 MCU's integrerede energiinvindingscontroller (EHC) begynder at oplade enhedens batteri, opretholder EHC fortsat opladningen på lagringskondensatoren, som forsyner VCC-systemforsyningen, indtil batteriet er fuldt opladet. (Billedkilde: Renesas)

Når batteriet er opladet, er QUICKMODE-biten indstillet, hvilket får EHC til at gå i stabil driftstilstand. I denne tilstand fortsætter EHC med at oplade batteriet fra det strømgenererende element, samtidig med at det samtidig leverer strøm fra batteriet til VCC-domænet.

Hvis den omgivende energi falder, og det strømgenererende element holder op med at levere strøm, fortsætter EHC med at levere VCC fra batteriet. Til sidst registrerer den interne spændingsmonitor, at VBAT_EHC er faldet under en forudindstillet tærskel, V._det1 , og QUICKMODE-bit nulstilles til nul. Når dette bit er indstillet, afbrydes strømmen til VCC-domænet, og EHC-registre initialiseres. Yderligere reduktion i VCC under V_POR får enheden til at nulstille reset-signalet ved opstart. For at genoptage driften skal enheden følgelig udføre den indledende opladningssekvens, efter at den omgivende energi er steget til tilstrækkelige niveauer.

Evalueringskit hjælper med hurtig prototyping

Mens RE01's indbyggede EHC eliminerer behovet for yderligere komponenter, skal udviklere stadig konfigurere enheden og udføre den foreskrevne række af operationer, der er nævnt ovenfor, for at udnytte dens funktioner. For at hjælpe udviklere med at gå hurtigt ind i hurtig prototyping og brugerdefineret udvikling med RE01-familien leverer RenesasRTK70E015DS00000BE ogRTK70E0118S00000BJ klar til brug evalueringskit til henholdsvis RE01 1500KB og RE01 256KB. Faktisk tilbyder RE01 1500KB-sættet en nøglefærdig udviklingsplatform, der inkluderer RE01 1500KB MCU-kortet (figur 7), et LCD-udvidelseskort, et solpanel og et USB-kabel. Sammen med RE01-MCU'en inkluderer udviklingskortet en opbevaring superkondensator, et stik til et eksternt genopladeligt batteri, afbrydere, lysdioder, en indbygget debugger og flere interface-stik, inklusive enArduino Uno header.

Figur 7: Renesas RE01 1500KB-evalueringssættet inkluderer et RE01 1500KB MCU-kort med en indbygget debugger og flere interface-indstillinger designet til at hjælpe evaluering, prototyping og brugerdefineret udvikling. (Billedkilde: Renesas)

Sammen med hardwareudviklingsplatformen, der findes i evalueringssættet, leverer Renesas et omfattende sæt afsoftwarepakker designet til at løbe underIAR-systemer 'Integreret Workbench integreret udviklingsmiljø (IDE) eller Renesas' eget e² Studio IDE. Bygget på Arm's Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) driverpakke, bruger softwaren softwarekonstruktioner, der er kendt for udviklere af kode til Arm-baserede processorer.

Måske vigtigst er, at eksempel-rutinerne i Renesas-softwarepakkerne giver en eksekverbar skabelon til tilpasset softwareudvikling. For eksempel kræver implementering af EHC-driftssekvensen vist i figur 5 en ledsagende række initialiseringsprocedurer, der er nødvendige for at minimere strømforbruget under nøgletrin såsom initial opladning og sekundær batteriopladning. En opstartsrutine, der leveres med eksempelsoftwaren, demonstrerer hver af disse initialiserings- og installationsprocedurer. Endnu bedre giver Renesas udviklere en klar sti til at bruge denne opstartsrutine til at ændre parametre efter behov og indsætte deres egen softwarekode i opstartssekvensen (figur 8).

Figur 8: Inkluderet i Renesas-softwaredistributionen viser eksempel-kode til opstart af RE01 MCU-energiinvindingsfunktionerne hvert krævet trin, mens der fremhæves, hvor udviklere kan ændre parametre eller indsætte deres egen softwarekode. (Billedkilde: Renesas)

Ved hjælp af Renesas-evalueringssættet og relaterede softwarepakker kan udviklere hurtigt udforske forskellige driftsformer for RE01 MCU og evaluere metoder til høst af energi. Senere giver dette miljø en effektiv platform til hurtig prototyping af deres egen applikation og brugerdefinerede udvikling.

Konklusion

energiinvinding tilbyder en effektiv løsning til at reducere batteristørrelse og forlænge batteriets levetid i systemer med lavt strømforbrug som IoT-enheder, men fremgangsmåden kan tilføje betydeligt den samlede designstørrelse, kompleksitet og pris. Der kræves en mere integreret tilgang.

En familie af MCU'er fra Renesas, der er fyldt med flere funktionelle blokke og perifere enheder, inkluderer et komplet undersystem til energiinvinding på chip, der strømliner og forenkler design af energiinvindingssystemet. Arbejder med tilknyttede udviklingstavler og software, kan udviklere hurtigt evaluere, prototype og oprette brugerdefinerede design, der er i stand til at drage fuld fordel af fordelene ved høst af energi ved hjælp af små, billige enheder.