1. februarja, 2020

Uporaba in izbira virov napajanja za IoT in IioT naprave

Revija logo digikey 300x150 - Uporaba in izbira virov napajanja za IoT in IioT napraveDigi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2020_282_24

Vse naprave interneta stvari (IoT) in industrijskega interneta stvari (IIoT) zahtevajo primarni vir napajanja za vnos podatkov, obdelavo in komunikacijo. Vendar pa številne vrste funkcij IoT naprav in različna okolja, v katerih morajo delovati, zahtevajo široko paleto primarnih virov napajanja, ki segajo od napajalnih kablov do akumulatorjev in sončnih celic.

Poleg tega široka paleta funkcij in načinov delovanja, na primer »vedno vklopljeno« za poslušanje in »pripravljenost« za hiter odziv na vhodne dražljaje, zahteva previdno izbiro notranjih virov napajanja zanje. Cilj je povečati učinkovitost, ohraniti majhnedimentije in povečati gostoto moči za aplikacijo brez negativnega vplivanja na delovanje ali potrebe po obsežnem toplotnem upravljanju, kar lahko poveča velikost, težo in stroške. Še ena stvar, na katero je treba biti pozoren, je uporabnikova varnost, ki ne sme biti ogrožena.

V tem članku so obravnavane različne vrste virov napajanja, uporabljene v IoT napravah in prikazani so nekateri izdelki podjetja RECOM Power, ki so zasnovani tako, da izpolnjujejo te zahteve.

Linijski viri napajanja
IoT ali IioT naprave, ki uporabljajo linijsko napajanje, imajo manj omejitev glede napajanja kot prenosne naprave. Linijsko napajanje običajno zagotavlja fiksne vhodne napetosti z ustreznimi ravnmi toka. Pri drugih virih napajanja, kot so sončne celice, lahko prihaja do velikih nihanj pri napetosti in ravneh toka, odvisno od njihove osvetlitve in stopnje uporabljene regulacije napetosti. IoT ali IIoT naprave morajo imeti prilagodljive zahteve glede vhodnega napajanja, da bi se uspešno kosale z morebitnimi nihanji vhodnega napajanja.

Eden od proizvajalcev virov napajanja, podjetje RECOM Power, je zasnoval družino ultra kompaktnih, popolnoma zaprtih virov napajanja z močjo 5 – module AC/DC serije RAC05-K – da bi zadovoljili potrebe IoT ali IIoT aplikacij po prilagodljivosti vhodne napetosti.

Ti napajalni moduli delujejo z vhodno napetostjo v razponu od 85 do 264 voltov izmeničnega toka (od 47 do 63 hertzov (Hz)) ali od 120 do 370 voltov enosmernega toka. Ta skoraj univerzalna paleta linijske vhodne napetosti omogoča, da so primerni za uporabo v domačih ali industrijskih okoljih po vsem svetu. To še nadalje dokazuje razpon temperature teh napajalnih modulov med delovanjem: serija RAC05-K nazivno omogoča polno napetost pri temperaturah od -25 °C do +50 °C in z zmanjšano izhodno močjo od +50 °C do +70 °C.

Posamezni modeli v seriji imajo fiksno izhodno napetost 3,3, 5, 12, 15 ali 24 voltov. 5-voltni model RAC05-05SK na tiskanem vezju ima velikost 1 palec x 1 palec (25,4 x 25,4 milimetra (mm)), njegova višina pa znaša 0,65 palca (16,5 mm). Ta napajalni modul ima s svojo nazivno močjo 5 W spoštovanja vredno gostoto moči, ki znaša 7,7 W na kubični palec (slika 1).

Ti viri napajanja imajo učinkovitosti višje od 80 %, poraba moči brez obremenitve pa znaša le 75 milivatov (mW). Zaradi te kombinacije so primerni za naprave IoT/IIoT, ki so »vedno vklopljene« ter pri katerih visoka učinkovitost in majhna notranja izguba energije pomagata pri ohlajanju naprav.

Z varnostnega vidika serija RAC05-K vključuje vgrajene varovalke ter zaščito pred prenapetostjo in kratkim stikom. Moduli so skladni z varnostnima standardoma IEC60950-1 in UL62368-1, poleg tega pa upoštevajo omejitve EN55032, razreda B EMC brez kakršnih koli zunanjih komponent.

Velik razpon vhodne napetosti, majhne dimenzije, varnosti posvečena pozornost in širok razpon delovne temperature pomenijo, da so te potrebščine idealne za številne linijsko napajane IoT ali IioT aplikacije.

Viri napajanja v industriji

Industrijska okolja pogosto potrebujejo posebne vire napajanja, in sicer zaradi okoljskih pogojev, v katerih morajo te naprave delovati. Ena od takšnih linij virov napajanja je serija DC/DC pretvornikov RECOM R1SX, ki imajo razpon temperature delovanja od -40° do +100° brez degradacije moči. Ta temperaturni razpon omogoča varno delo v večini industrijskih pogojev. Primer naprave iz serije je R1SX-3.305-R, DC/DC pretvornik z močjo 1 W, ki deluje z vhodno napetostjo 3,3 V in jo pretvori v izhodno 5 V napetost.

Ti pretvorniki so tudi izolirani pred enosmernim tokom do 1 kilovolta (kV)/1 sekundo, na voljo je še druga nazivna zmogljivost 3 kV/1 sekundo. Izolacija je pri industrijski uporabi pomembna, saj so talne zanke in električni šumi pri tej vrsti uporabe zelo pogosti. Če sta vhod in izhod izolirana, se te talne zanke prekinejo in širjenje šumov se zmanjša. Pretvornik R1SX-3.3-5 DC/DC lahko uporabite v podpornih izoliranih podatkovnih vmesnikih s preklapljanjem nivoja (slika 2).

DC/DC viri napajanja za prenosne naprave
Prenosne IoT ali IIoT naprave, ki se napajajo prek akumulatorja, zahtevajo majhne dimenzije in majhno izgubno moč. Cilj je kar najbolj podaljšati življenjsko dobo akumulatorja, da bi se skrajšal nepričakovan čas nedelovanja in zmanjšala potrebna količina dela za zamenjavo akumulatorjev v velikem številu naprav. Med ključne funkcije takšnega načrtovanja spadajo zmožnost preklapljanja virov napajanja v stanje mirovanja ali pripravljenosti, kadar jih ne potrebujete, visoka učinkovitost in širok razpon vhodne napetosti, ki izenači negativne učinke zmanjševanja napetosti akumulatorja proti koncu njegove življenjske dobe.

Primer DC/DC pretvornikov s specifikacijami, ki ustrezajo zahtevam prenosnih IoT naprav, je serija RECOM R-78S. Ena naprava iz te serije, naprava R-78S3.3-0.1, je zasnovana za generiranje 3,3 V iz AA 1,5 V akumulatorja. Serija vključuje tudi naprave z izhodno napetostjo 1,8, 3,3 in 3,6 V, ki so namenjene za napajanje široke palete mikrokontrolerjev in krmilnikov prek enoceličnih akumulatorjev. Vse naprave delujejo v razponu vhodne napetosti od 3,15 V do 0,65 V, kar omogoča, da se uporablja vse do zadnjega milivata moči iz akumulatorja. Ta napajalni pretvornik ima visoko značilno učinkovitost 93 %, kar zmanjšuje izgube. Omogočitemu lahko stanje pripravljenosti, v katerem porablja le 7 mikroamperov (µA). Ta napajalni pretvornik, ki združuje visoko učinkovitost, režim pripravljenosti in širok razpon vhodne napetosti, je idealen za prenosne brezžične IoT naprave (slika 3).

Serija R-78S vključuje tudi širok temperaturni razpon od -40° do +100 °C, kar je koristno za prenosno napravo, ki jo morda pustite v avtomobilu v ekstremnih vremenskih pogojih.

V primeru na sliki 3 je prikazana uporaba režima pripravljenosti ali spanja, med katerim sistem porablja le 20 mikrovatov (µW). V tem režimu se napetost kondenzatorja, kot prikazuje modra sled, sčasoma zmanjšuje od polno napolnjene vrednosti 3,3 V, dokler ne doseže praga, nastavljenega prek uporov R1 in R2, ko mikrokontroler signalizira pretvorniku, da se zbudi. Kadar pretvornik deluje v aktivnem načinu, sistem porablja le 200 µA, v tem času se kondenzator znova polni za naslednji cikel. Poraba energije bo sorazmerna s ciklom delovanja aktivnega režima oziroma režima spanja. Zmogljivost nizke vhodne napetosti RECOM R-78S pretvornikov je izjemna lastnost za IoT ali IioT aplikacije, ki porabljajo energijo. Uporabljajo se lahko na primer za izboljšanje izhoda nizkonapetostnih virov, kot so sončne celice ali termoelektrični generatorji (TEG), da se napaja 3,3-voltna celica z možnostjo ponovnega polnjenja (slika 4).

Višja vhodna napetost (3,6 V v primerjavi s 3,3 V) je potrebna za polnjenje celice prek diode. Dioda preprečuje, da bi povsem napolnjen akumulator porabljal izhod pretvornika. Ti pretvorniki so zaščiteni tudi pred kratkim stikom in pregrevanjem, da bi lahko delovali zanesljivo.

Referenčna vezja in razvojne plošče uporabljajo R-78S3.3-0.1
Referenčna vezjaso v pomoč pri določanju tega, ali komponenta ustreza zahtevam načrtovanja. DC/DC pretvorniki serije R-78S omogočajo praktično orodje za razvoj naprave (slika 5).

Referenčno vezje RECOM R-REF02-78S je na voljo kot opremljeno tiskano vezje s preprostimi 0,100-palčnimi konektorji in luknjami za montažo za enostavno vgradnjo v razvojne prototipe. Jumper za omogočanje delovanja pretvornika se prestavi na način spanja pretvornika.

Za bolj temeljito preizkušanje pretvornikov podjetje RECOMponuja tudi razvojno ploščo, model R-78S3.3-0.1-EVM-1, pri kateri se na konektorje prestavi več preskusnih vozlišč kot pri referenčnem vezju (slika 6).

Razvojna plošča vključuje vse elemente referenčnega vezja, vendar povečuje dostop do vhodnih in izhodnih priključkov pretvornika. Dodatni konektorji so namenjeni za omogočanje izvedbe različnih meritev in določanje parametrov naprave. Vključena so USB vrata za omogočanje napajanja vezja za prikazovanje, ki niso povezani s ploščo.

Zaključek
IoT in IIoT aplikacije je mogoče napajati na različne načine, vključno z omrežnim napajanjem, z akumulatorji ali prek izkoriščanja energije.

Aplikacija bo v določeni meri določila zahteve glede vira napajanja. Zahtevane so raznovrstne napajalne naprave, ki lahko zagotovijo, da se lahko razvojniki spopadejo s široko paleto scenarijev med delovanjem. Napetostni pretvorniki podjetja RECOM, opisani v tem članku, so s svojim širokim vhodnim razponom, visoko učinkovitostjo, majhnimi dimenzijami in tihim načinom pripravljenosti glavni kandidati za vire napajanja IoT in IioT izdelkov.

www.digikey.com
Tags: