Mulți dintre dezvoltatorii de astăzi au sarcina de a proiecta senzori cu consum redus de putere pentru a putea fi utilizați în Internetul lucrurilor (IoT). Acești senzori vor fi integrați pe străzile noastre, în birourile și fabricile noastre, urmând să colecteze date timp de ani de zile și să le partajeze în cloud, cel mai probabil prin tehnologie wireless. Desigur, aceste produse vor trebui, de asemenea, să aibă un cost redus și să necesite întreținere redusă sau deloc, deoarece multe vor fi poziționate în locuri greu accesibile. Astăzi, aceste dispozitive trebuie să fie, de asemenea, fiabile și etice din punct de vedere al utilizării materialelor și a energiei, contribuind în același timp cât mai puțin posibil la schimbările climatice.
Folosirea bateriilor drept sursă de putere este unul dintre domeniile cheie pe care dezvoltatorii trebuie să le abordeze. Aici apar o serie de provocări legate de durata limitată de viață și fiabilitatea produselor, materialele de fabricație, problemele de expediere, precum și de reglementările privind eliminarea/reciclarea bateriilor la sfârșitul duratei lor de viață.
Cu toate acestea, putem privi partea bună a lucrurilor, deoarece există o soluție care ne-ar permite să eliminăm sau, cel puțin, să reducem dimensiunea bateriei. Putem folosi energia care ne înconjoară, fie sub formă de lumină, mișcare, căldură sau altă formă, pentru a alimenta produsele noastre. Acest lucru devine realizabil pentru o gamă mai largă de produse datorită ultimei generații de surse de putere bazate pe tehnologii de recuperare a energiei. Acestea sunt capabile să recolteze cantități suficiente de energie electrică din cantități tot mai mici de energie provenite din mediu, fiind acum capabile să utilizeze aceste cantități mici de energie și mai eficient, pentru a alimenta produsele atunci când este necesar.
Figura 1: Problema curentului la pornire
Pentru a permite dezvoltatorilor să proiecteze cu ușurință produse care recoltează energia din jurul nostru pentru a fi folosită ca surse de alimentare, Renesas a implementat un controler de recuperare energetică pe familia de controlere embedded RE01. Aceste dispozitive sunt create pe baza noului proces de aplicare a siliciului pe o peliculă subțire de oxid de siliciu (SOTB – Silicon On Thin Buried Oxide) care oferă un consum de curent (activ) de până la 10 µA/MHz, acestea fiind ideale pentru senzorii inteligenți alimentați prin tehnici de recuperare energetică.
Cea mai mare problemă cu care trebuie să se confrunte proiectanții la realizarea unui produs folosind o sursă de alimentare cu recuperare energetică din mediu, este curentul de pornire al circuitelor, în special al microcontrolerului (MCU). La alimentarea unui microcontroler, circuitul de resetare la pornire (power-on reset) va elibera linia de reinițializare odată ce există un nivel suficient de tensiune pe pinul de alimentare. Microcontrolerul începe să se inițializeze, deci semnalele de ceas încep să funcționeze, regiștrii sunt inițializați și orice aplicație de pornire rulează. Acest lucru poate necesita o cantitate semnificativă de curent, adesea mulți mA, pe care majoritatea surselor mici cu recuperare energetică nu le pot furniza. În acest punct, microcontrolerul nu va funcționa corect, deoarece alimentarea cade și pornirea va eșua.
Figura 2: Controlerul RE01 pentru recoltare a energiei
Acest articol prezintă utilizarea controlerului de recuperare energetică (EHC) implementat pe noua familie RE01 de controlere embedded de la Renesas. Controlerul EHC este creat pentru a elimina problema pornirii și pentru a permite dezvoltatorului să gestioneze atât ciclul de pornire al microcontrolerului (fără a consuma prea mult curent), cât și elementele externe de stocare a energiei. În cazul de față, dispozitivele de stocare sunt formate din condensatoare de stocare și baterii secundare sau super-condensatoare. Acest lucru permite dezvoltatorului să gestioneze cu atenție cantitățile mici de energie generate de sistemul de recuperare energetică și să stocheze energia până în momentul când va fi necesară. Controlerul EHC este suficient de flexibil pentru a opera cu o gamă largă de surse de alimentare prin recuperarea energiei din mediu, cum ar fi celule solare, generatoare termoelectrice, energie obținută din vibrații mecanice și multe alte tipuri de generatoare de energie.
În proiectele embedded care folosesc sisteme mici de recuperare energetică, vorbim de obicei despre cantități reduse de putere. De exemplu, o celulă solară de 25 cm2 cu un nivel de lumină de 200 LUX, comparabil cu nivelurile de lumină din interior, într-o zi ploioasă din Marea Britanie, ar putea furniza 40 – 50 µA. Cea mai recentă generație de generatoare termoelectrice, cu o diferență de temperatură de 2 – 3℃, va produce un nivel de curent similar. Așadar, controlerul EHC trebuie să gestioneze aceste cantități mici de energie și să le stocheze pentru a fi utilizate atunci când sunt solicitate de microcontroler sau de alte componente din sistem. Pentru simplitate, în acest articol ne vom concentra asupra cazului de utilizare a celulelor solare.
Figura 2 prezintă o diagramă bloc simplificată a controlerului EHC. Aceasta ilustrează celula solară, care furnizează energie dispozitivului, condensatorul extern de stocare, utilizat pentru a susține pornirea dispozitivului și o baterie secundară opțională, care poate fi încărcată atunci când este disponibilă suficientă energie. Controlerul EHC poate utiliza, opțional, puterea stocată în sistem pentru a alimenta dispozitive externe, cum ar fi senzori sau aparate de radio.
Figura 3. Domenii de putere I/O
Înainte să privim în detaliu acest dispozitiv, trebuie, mai întâi, să înțelegem foarte bine arhitectura microcontrolerului, care a fost optimizat pentru a opera în condiții de alimentare minim disponibile, precum cele oferite de aplicațiile bazate pe recuperare energetică din mediu. Microcontrolerul RE01 are un design unic de alimentare cu patru surse (domenii) interne de putere alimentate separat și șase surse (domenii) de putere externe. Fiecare sursă de putere poate fi pornită sau dezactivată independent, în funcție de cerințele aplicației. Acest lucru permite utilizatorului să optimizeze în orice moment energia consumată de dispozitiv, în funcție de cerințele aplicației. Fiecare funcție din arhitectura internă a microcontrolerului (pini I/O, interfețe, periferie) este alocată unui domeniu de putere separat și poate fi alimentată individual, când este necesar. Domeniile de putere I/O ale RE01 sunt prezentate în Figura 3.
Când controlerul de recuperare energetică detectează că tensiunea a fost aplicată pinului VSC_VCC și alimentarea este capabilă să genereze cel puțin 5 µA, ciclul de recuperare a energiei va fi pornit. Proiectarea sursei de putere a controlerului de recuperare energetică este de așa natură încât puterea de ieșire de pe pinul VCC poate fi livrată atât altor pini de alimentare, cât și dispozitivelor periferice, cum ar fi senzori externi și un modul radio.
Când tensiunea de ieșire este preluată de la pinul VCC, pinul VCC și bateria secundară nu sunt conectate în interiorul sistemului de recoltare a energiei. O diagramă simplificată a circuitului de alimentare este prezentată în figura 4. În acest moment, dacă domeniile I/O și dispozitivele externe se conectează direct la VCC, puterea pe care acestea o consumă poate fi mai mare decât ieșirea celulei solare, iar energia reținută în condensatorul de stocare va fi insuficientă. În acest caz, microcontrolerul nu va putea funcționa corect, iar ciclul de pornire va eșua.
Figura 4: Sistem de recoltare a energiei cu prezentarea simplificată a sursei de putere
Pentru a evita acest fenomen, este necesar un mecanism care să separe aceste circuite de putere. Figura 4 prezintă un comutator instalat între pinul VCC și dispozitivele periferice, iar comutatorul de încărcare este controlat On/Off printr-un port de uz general. Din acest motiv, unul dintre domeniile I/O este întotdeauna alimentat. (Switch-ul de încărcare trebuie oprit la pornire și pornit după încărcarea completă a bateriei secundare.)
Figura 5: Energia furnizată de celula solară încarcă condensatorul de stocare
Să analizăm în detaliu modul în care operează regulatorul de recoltare a energiei (EHC). Acesta cuprinde mai multe comutatoare și logica de control asociată. Circuitul controlează pe unde “curge” curentul electric prin dispozitiv în timpul operării.
În primul rând, să aruncăm o privire la perioada inițială de încărcare, atunci când tensiunea aplicată pentru prima dată dispozitivului provine de la celula solară. În acest caz, prezentat în figura 5, puterea este livrată de la celula solară către EHC. Cu toate acestea, în loc să pornească microcontrolerul, comutatoarele SW1 și SW3 sunt închise, astfel încât energia disponibilă este utilizată pentru a încărca condensatorul de stocare extern.
Figura 6: Microcontrolerul pornește fiind alimentat de energia depozitată în condensatorul de stocare
EHC monitorizează starea condensatorului pentru a detecta dacă acesta conține suficientă putere pentru a alimenta microcontrolerul. Condensatorul trebuie dimensionat corect, pentru a livra puterea necesară microcontrolerului pentru ca acesta să-și poată finaliza rutinele de inițializare. Puterea este aplicată microcontrolerului din RE01 prin închiderea comutatorului SW6 și eliberarea semnalului de reinițializare. În acest moment, curentul este, de asemenea, furnizat de la pinul VCC, deci trebuie să aveți grijă să minimizați orice consum de curent prin circuitele externe alimentate de acest pin. Procesul este prezentat în figura 6.
Odată ce microcontrolerul a pornit și, folosind energia din condensatorul de stocare, și-a rulat, totodată, programul de inițializare, acesta își schimbă starea într-unul dintre modurile sale de putere ultra-redusă, pentru a permite reîncărcarea condensatorului de stocare. Odată ce această etapă este completă, dacă de dorește, putem căuta să încărcăm bateria secundară (sau super condensatorul). În acest caz, comutatorul SW3 este deschis, iar comutatorul SW2 este închis pentru a devia energia disponibilă pentru încărcarea bateriei – operații care au loc sub controlul microcontrolerului, care monitorizează starea bateriei.
Figura 7: Toate rezervele de energie sunt încărcate, iar unitatea centrală este alimentată
Microcontrolerul monitorizează starea bateriei secundare (sau super condensatorului) și atunci când este încărcată poate furniza dispozitivului întreaga putere de care are nevoie. Cu o baterie încărcată, putem alimenta senzori externi sau un modul radio, după cum este necesar și putem crește viteza microcontrolerului și funcția periferică. Această stare de funcționare este ilustrată în Figura 7.
Controlerul de recuperare a energiei din mediu monitorizează, în continuare, toate nivelurile de tensiune de pe dispozitiv, inclusiv nivelurile de tensiune de pe condensatorul de stocare și de pe bateria secundară. Dacă tensiunea din condensator scade sub un prag stabilit, procesul de încărcare a bateriei secundare este oprit temporar pentru a reîncărca condensatorul de stocare. Când condensatorul de stocare este complet reîncărcat, poate începe din nou încărcarea secundară a bateriei. Acest ciclu poate fi repetat de câte ori este necesar în timpul operării.
Circuitul de control al recoltării de energie are și o funcție de prevenire a supraîncărcării bateriei secundare. Când sursa de alimentare de la celula solară este prea mare și bateria secundară este supraîncărcată, comutatorul SW2 este oprit pentru a o proteja.
Când elementul de generare a energiei nu mai produce curent, operarea continuă cu energia livrată de la bateria secundară. Acest proces este prezentat în figura 8. Există, de asemenea, o funcție de prevenire a alimentării inverse pentru a opri orice daune cauzate de curentul care revine în celula solară: circuitul din interiorul controlerului EHC este deconectat.
Figura 8: Microcontrolerul își continuă operarea atunci când sunt „cade” alimentarea de la celula solară
Aplicația va continua să ruleze, fiind alimentată de energia conținută în bateria secundară și în condensatorul de stocare, până când acestea sunt descărcate. Pe măsură ce controlerul EHC monitorizează nivelurile de tensiune pe ambele dispozitive, acesta va genera un avertisment prin care anunță că puterea disponibilă nu îi va permite sistemului să se oprească în siguranță, înainte de epuizarea sursei de energie.
Controlerul EHC permite utilizatorilor să gestioneze util puterea dintr-o sursă de recuperare energetică, generând curenți de până la câțiva µA și să stocheze această putere pentru a fi eliberată la cererea aplicației.
Figura 9: Diagrama formei de undă care arată starea energetică a condensatorului de stocare și a bateriei secundare în timpul funcționării
Ciclul tipic de alimentare cu energie electrică este prezentat în Figura 9, inclusiv pornirea controlerului EHC, atunci când puterea este furnizată pentru prima dată de la celula solară. Diagrama ilustrează, de asemenea, modul în care microcontrolerul este eliberat de la reinițializare. Tensiunea condensatorului de stocare scade; apoi microcontrolerul se inițializează, pregătește sistemul de recuperare energetică și intră într-o stare de consum redus, executând programul la viteză mică, consumând aproximativ 1 µA. Condensatorul de stocare este reîncărcat, iar apoi și bateria secundară începe să se încarce. Când bateria secundară este încărcată și se generează întreruperea, există suficientă putere disponibilă pentru a comuta microcontrolerul la viteză maximă și pentru a porni senzorii externi și modulul radio, după cum este necesar. Acest lucru se poate face sub controlul microcontrolerului aplicației. Când bateria secundară este descărcată și tensiunea scade la o limită prestabilită, sistemul primește un avertisment pentru a reduce puterea, iar ciclul se reia din nou.
Controlerul pentru recoltarea energiei din mediu utilizat pe familia de microcontrolere RE01 permite utilizatorilor să implementeze cu ușurință hardware-ul necesar pentru a utiliza multe tipuri de surse de putere obținute din recuperare energetică. Controlerul EHC ne permite atât să depășim limitările uzuale de pornire ale microcontrolerelor, cât și să gestionăm puterea disponibilă, pentru a alimenta aplicația completă.
EHC ne permite să vedem partea bună a modului în care vom alimenta produsele noastre în viitor, dacă putem popula Internetul Lucrurilor cu miliarde de dispozitive de comunicare inteligente capabile să detecteze și să capteze energia din jurul nostru. Recuperarea energetică oferă soluția ideală pentru alimentarea acestor dispozitive, fie pentru a elimina necesitatea utilizării bateriilor, fie pentru a permite, cel puțin, reîncărcarea locală a bateriilor secundare. Aceasta este, într-adevăr, partea luminoasă a IoT.
Autor:
Graeme Clark
Principle Engineer, Renesas Electronics
Graeme Clark este angajat la Renesas Electronics Europe de peste 20 de ani (anterior a făcut parte din echipa Hitachi Electronics) unde a lucrat cu microcontrolere cu consum redus de putere într-o varietate de roluri. Acum, este responsabil pentru lansarea pe piața europeană a noilor controlere embedded bazate pe tehnologia SOTB.
Renesas Electronics Europe | https://www.renesas.com
