Energiaa talteenottavan mikrokontrollerin käyttö IoT-laitteissa vapauttaa paristojen vaihtamiselta

Esineiden internetissä (Internet of Things, IoT) käytettävien sähköverkkoon kytkemättömien laitteiden suunnittelijat etsivät tällaisiin laitteisiin jatkuvasti parempia virransyöttöratkaisuja, joilla voidaan minimoida kuluttaja-, kaupallisten tai teollisten sovellusten käyttökatkot. Paristoja on valvottava jatkuvasti, ja niiden hävittäminen käyttöiän päätyttyä muodostaa merkittävän lisäongelman. Akkuja käytettäessä ei tarvitse huolehtia hävittämisestä, mutta laitteet täytyy silti irrottaa, ladata ja asentaa uudelleen.

Perinteisten lähestymistapojen rajoitukset ovat lisänneet kiinnostusta energian talteenottoratkaisuihin, joissa laitteen virta saadaan ympäristön energiasta. Suunnittelijoiden kannalta on kuitenkin ongelmallista, että energian talteenottoon tarvittavat piirit ja akut voivat tehdä ratkaisusta huomattavasti monimutkaisemman, suuremman ja kalliimman.

Tässä artikkelissa esitellään lyhyesti energian talteenoton hyötyjä IoT-sovelluksissa sekä joitakin suunnitteluun liittyviä haasteita. Sen jälkeen siinä esitellään ratkaisukeino, jossa haasteet ylitetään integroimalla energian talteenotto- ja akun latauksenhallintapiirit mikrokontrolleriin (MCU). Esimerkkinä käytettävien Renesas-yrityksen laiteratkaisujen ja niihin liittyvien arviointialustojen avulla selostetaan, miten tällä lähestymistavalla voidaan poistaa tehokkaasti paristojen vaihtotarve IoT-laitteissa.

Miksi IoT-laitteissa kannattaa käyttää energian talteenottoa?

Energian talteenotto on houkutteleva ratkaisu esimerkiksi vähävirtaisiin langattomiin anturijärjestelmiin, joissa sen avulla voidaan toteuttaa täysin langattomia ja vain vähän tai ei lainkaan kunnossapitoa vaativia laitteita. Hetkellisten huipputehotarpeiden täyttämiseen tarvitaan kuitenkin yleensä akku tai superkondensaattori.

Ympäristön energiaa käytettäessä järjestelmälle riittää periaatteessa pienempi energian tallennuslaite ja sen käyttöikä voi pidentyä. Näin toteutettu IoT-ratkaisu saattaa mahtua pienempään koteloon, kunhan energian talteenottotoiminto ei kasvata ratkaisun osien määrää olennaisesti. Käytännössä kuitenkin energian talteenoton toteutukseen tarvittavat lisäkomponentit vaikeuttavat ratkaisujen pienentämistä.

Energiaa talteenottavaan virtalähteeseen tarvitaan yleensä erilliset laitteet ympäristön energian talteenottoa ja akun tai superkondensaattorin kaltaisen energian tallennuslaitteen latauksenhallintaa varten. Kun nämä laitteet lisätään jo valmiiksi mahdollisimman pieneksi suunniteltuun langattomaan järjestelmään, johon kuuluu mikrokontrolleri, anturi ja radiotaajuinen (RF) lähetin-vastaanotin, lisätoiminnot voivat muuttaa yksinkertaisen, muutamasta osasta koostuvan ratkaisun melko monimutkaiseksi paketiksi (kuva 1).

Kuva 1: Energian talteenotolla voidaan poistaa IoT-laitteiden käyttäjien paristonvaihtopulmat, mutta ratkaisun toteuttamiseen tarvittavat komponentit ovat tyypillisesti johtaneet laitekoon kasvuun, monimutkaisempiin ratkaisuihin sekä lisäkustannuksiin, jotka kaikki on otettava huomioon pohdittaessa langattoman IoT-laitteen hyötyjä. (Kuvan lähde: Renesas)

Komponenttien vähentäminen IoT-ratkaisussa

Monet energian talteenottoon tarvittavat komponentit on tähän saakka integroitu erikoismoduuleihin ja tehonhallintamikropiireihin (PMIC), kuten Analog Devices LTC3105/LTC3107, Cypress Semiconductor S6AE101A, Matrix Industries MCRY12-125Q-42DIT ja monet muut. Tällaiset laitteet syöttävät säänneltyihin jännitekiskoihin virtaa aurinkokennosta, lämpösähkögeneraattorista (TEG), pietsosähköisestä värähtelymuuntimesta tai muusta energialähteestä. Ne pystyvät talteenoton avulla tarjoamaan kaiken tavanomaisessa IoT-laitteessa tarvittavan energian. Suunnittelijat joutuvat kuitenkin kehittämään ratkaisuja jatkuvasti sovellusten vaatimusten täyttämiseksi ja kilpailuedun säilyttämiseksi tai saavuttamiseksi.

Renesas RE01 ‑mikrokontrolleriperhe auttaa saavuttamaan nämä tavoitteet, sillä se vie integraation pidemmälle sijoittamalla energian talteenoton ohjauksen (EHC) laitteen sisään. RE01-mikrokontrolleri pystyy itse asiassa lataamaan sisäisellä EHC-ohjaimellaan akkua ja samalla syöttämään virtaa muualle laitteeseen. RE01 on enemmän kuin pelkkä energian talteenottolaite. Siinä on EHC, 64 megahertsin (MHz) Arm® Cortex®-M0+ ‑ydin, piirillä sijaitseva flash-muisti, suojalohko (TSIP), 14-bittinen analogia-digitaalimuunnin (ADC), ajastimia sekä useita oheislaiterajapintoja (kuva 2).

Kuva 2: Renesas RE01 ‑mikrokontrolleriperhe on tarkoitettu helpottamaan paristokäyttöisten laitteiden suunnittelua. Siinä on täydellinen energian talteenoton ohjaus sekä vähävirtainen Arm Cortex-M0+ ‑prosessoriydin, piirillä sijaitseva flash-muisti sekä useita oheislaitteita ja rajapintoja. (Kuvan lähde: Renesas)

RE01 on tarkoitettu helpottamaan paristokäyttöisten IoT-laitteiden toteutusta. Siinä on integroituna kattava valikoima tarvittavia oheislaitetoimintoja. Laitteessa on ADC:n ja anturien integrointiin tarkoitettujen sarjarajapintojen lisäksi moottoriajurien ohjauspiiri (motor driver control circuit; kuvan 2 MTDV-lohko), joka pystyy ohjaamaan jopa kolmea moottoria, vakiovirtalähde, jolla voidaan ohjata kolmea ulkoista lediä, sekä hidas pulssigeneraattori (low-speed pulse generator, LPG). RE01-mikrokontrollerissa on näytön lähdössä grafiikkakiihdytin kaksiulotteista (2D) kuvankäsittelyä varten sekä MIP-tyyppinen (memory-in-pixel) LCD-näytön ohjain. Mikrokontrollerissa on reaaliaikaista ohjausta varten myös vahtiajastin, reaaliaikainen kello sekä kellon tarkkuuden varmistava kellokorjauspiiri (clock correction circuit, CCC). RE01-perhe yhdistää tuoteperheen laitteissa edellä mainitut toiminnot ohjelmistokoodia ja dataa varten, esimerkkinä R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB), jossa on 1 500 kilotavun (kt) flash-muisti, ja R7F0E01182CFM (RE01 256KB), jossa on 256 kt:n flash-muisti.

RE01-mikrokontrolleri tarjoaa toimintojensa lisäksi paljon vaihtoehtoja sopivan tasapainon löytämiseksi suorituskyvyn ja virrankulutuksen kesken. Mikrokontrolleria voidaan käyttää useissa eri käyttötiloissa, jotka vähentävät virrankulutusta alentamalla käyttötaajuutta 64 MHz:n maksimiarvosta 32,768 kilohertsiin (kHz) asti alhaisen vuotovirran tilassa. Normaalissa käyttötilassa ovat käytettävissä myös 32 MHz:n tai 2 MHz:n välitaajuudet. R7F0E015D2CFP RE01 ‑laitteen 1500KB-versio kuluttaa tyypillisessä käytössä aktiivista virtaa vain 35 mikroampeeria megahertsiä kohden (µA/MHz) ja 1,62 voltin valmiustilassa vain 500 nanoampeeria (nA). Sen 14-bittinen ADC tarvitsee virtaa vain 4 µA, ja flash-ohjelmoinnin uudelleenkirjoitukseen kuluu vain noin 0,6 milliampeeria (mA). RE01-mikrokontrollerin energian talteenoton ohjain käyttää virran toimittamiseen näihin tavanomaisiin toimintoihin monenlaisia ominaisuuksia, jotka on suunniteltu helpottamaan energian talteenottoa ja akunhallintaa.

Integroitu energian talteenoton ohjaus yksinkertaistaa rakennetta

Se, että energian talteenoton ohjaus on integroitu RE01-mikrokontrollereihin, tekee energian talteenotosta melkeinpä rutiinitoimenpiteen. Suunnittelijoiden tarvitsee vain kytkeä sähköntuotantoelementti, kuten aurinkokenno, TEG tai värähtelymuunnin, suoraan mikrokontrollerin VSC_VCC- ja VSC_GND-nastoihin. Kun ympäristön energiaa on käytettävissä riittävän paljon, EHC voi ohjata mikrokontrollerin lähtönastat lataamaan akkua (VBAT_EHC), energiaa varastoivaa kondensaattoria (VCC_SU) ja muita ulkoisia laitteita (kuva 3).

Kuva 3: Suunnittelijat voivat Renesas RE01 ‑mikrokontrollerin integroidun energian talteenoton ohjaimen ansiosta hyödyntää energian talteenottoa nopeasti. (Kuvan lähde: Renesas)

Yksinkertainen rakenne perustuu RE01-mikrokontrollerin toimilohkovalikoimaan, joka on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4: Renesas RE01 ‑mikrokontrollerin integroitu energian talteenoton ohjain sisältää kaikki toiminnot, joita tarvitaan sähköntuotantoelementin hyödyntämiseen tarvittavan jännitteen tuottamiseksi. (Kuvan lähde: Renesas)

Energian talteenoton ohjaimessa on toimilohkojen lisäksi useita jännitteen tarkkailupiirejä ja tila- sekä ohjausrekistereitä virransyötön hallintaan. Esimerkiksi sähköntuotantoelementin tilalippu (ENOUT) ilmaisee, tuottaako kyseinen elementti sähköä. Latauskohteen tarkkailulippu (CMPOUT) puolestaan ilmaisee, ohjataanko latausjännitettä akkuun vai energiaa varastoivaan kondensaattoriin. Jokainen näistä ominaisuuksista huolehtii omasta tehtävästään EHC-ohjaimen siirtyessä toimintatilasta toiseen – käynnistys, normaali toiminta ja akun tyhjeneminen (kuva 5).

Kuva 5: Renesas RE01 ‑mikrokontrollerin integroitu energian talteenoton ohjain tukee sisäisten jännitteen tarkkailupiiriensä, tilalippujensa ja rekisteriensä avulla koko latausprosessia ensimmäisestä latauksesta akun tyhjenemiseen asti. (Kuvan lähde: Renesas)

Kun mikrokontrolleriin kytketään sähköä tuottava elementti, EHC käynnistää ensimmäisen latauksen. EHC ohjaa silloin sähkövirran VCC_SU-nastaan ja lataa energiaa varastoivaa kondensaattoria, kunnes VCC_SU-jännitetaso ylittää tietyn kynnysjännitteen (VCC_SU_H). Sen jälkeen EHC aloittaa virransyötön järjestelmään (VCC) energiaa varastoivan kondensaattorin kautta. Kun VCC ylittää virran kytkemisen kynnysjännitteen (VPOR), käynnistyksen nollaussignaali nousee ylös ja vapauttaa laitteen nollauksesta. Samalla ENOUT nousee ylös, mikä ilmaisee, että sähköä tuottava elementti on aktiivinen.

Kun käynnistyksen nollaus vapautetaan, EHC-ohjaimen VBAT_EHC-nastan latauksen ohjausrekisterin VBATCTL arvoksi asetetaan 11b, jolloin laite voi alkaa ladata akkua. EHC itse asiassa ohjaa latauslähdön tämän jakson aikana vaihdellen akulle ja energiaa varastoivalle kondensaattorille, jotta VCC-syöttöjännite pysyy käytettävissä myös akun latauksen aikana. Kun energiaa varastoivan kondensaattorin jännite putoaa alemman kynnysjännitteen VCC_SU_L alle, EHC kytkee virran VCC_SU-nastaan, kunnes se saavuttaa ylemmän kynnysjännitteen VCC_SU_H, jolloin laite siirtyy taas lataamaan akkua. Tämä prosessi jatkuu, kunnes akun jännite VBAT_EHC-nastassa saavuttaa VBAT-kynnysarvon VBAT_CHG (kuva 6).

Kuva 6: Renesas RE01 ‑mikrokontrollerin integroitu energian talteenoton ohjain (EHC) jatkaa energiaa varastoivan kondensaattorin varauksen ylläpitämistä vielä senkin jälkeen, kun se alkaa ladata laitteen akkua. Kondensaattori syöttää virtaa VCC-järjestelmään, kunnes akku on ladattu täyteen. (Kuvan lähde: Renesas)

Kun akku on ladattu, järjestelmä asettaa QUICKMODE-bitin, jolloin EHC siirtyy vakaaseen toimintatilaan. EHC jatkaa tässä tilassa akun latausta käyttäen sähköä tuottavaa elementtiä ja syöttää samalla akusta virtaa VCC-alueeseen.

Jos ympäristön energia laskee siten, ettei sähköä tuottava elementti enää tuota sähköä, EHC jatkaa syöttämällä akusta virtaa VCC-alueeseen. Sisäinen jännitteen tarkkailupiiri havaitsee lopulta, että VBAT_EHC on pudonnut kynnysarvon V_det1 alapuolelle, jolloin QUICKMODE-bitin arvoksi asetetaan nolla. Tämän bitin asettaminen katkaisee virransyötön VCC-alueeseen ja alustaa EHC-ohjaimen rekisterit. Jos VCC laskee vielä enemmän V_POR-kynnyksen alle, laite nollaa käynnistyksen nollaussignaalin. Laitteen toiminta jatkuu tällöin vasta sitten, kun laite on suorittanut alkulatausketjun ympäristön energian noustua riittävällä tasolle.

Arviointisarja nopeaa prototyyppitestausta varten

Vaikka RE01-piirin sisäänrakennettu EHC poistaa lisäkomponenttien tarpeen, kehittäjien täytyy edelleen konfiguroida laite ja suorittaa edellä mainittu toimintosarja laitteen ominaisuuksien käyttämiseksi. Kehittäjät voivat siirtyä nopeaan prototyyppitestausvaiheeseen ja RE01-perheen räätälöintiin nopeammin Renesas-yrityksen käyttövalmiiden RTK70E015DS00000BE- ja RTK70E0118S00000BJ-arviointisarjojen avulla (tarkoitettu versiolle RE01 1500KB ja RE01 256KB). RE01 1500KB -sarja tarjoaa itse asiassa käyttövalmiin kehitysalustan, joka sisältää RE01 1500KB -mikrokontrollerikortin (kuva 7), LCD-laajennuskortin, aurinkopaneelin ja USB-kaapelin. Kehityskortti sisältää RE01-mikrokontrollerin lisäksi energiaa varastoivan superkondensaattorin, liittimen ulkoiselle akulle, kytkimet, ledit, kortilla sijaitsevan debuggerin sekä useita rajapintaliittimiä, kuten Arduino Uno ‑laattakaapeliliitin.

Kuva 7: Renesas RE01 1500KB -arviointisarjaan kuuluu RE01 1500KB -mikrokontrollerikortti, kortilla sijaitseva debuggeri sekä useita arviointia, prototyyppitestausta ja räätälöintiä helpottavia rajapintavaihtoehtoja. (Kuvan lähde: Renesas)

Renesas tarjoaa arviointisarjaan kuuluvan laitteistokehitysalustan lisäksi kattavan valikoiman ohjelmistopaketteja, jotka on suunniteltu käytettäväksi IAR Systems Embedded Workbenchin integroidussa kehitysympäristössä (IDE) tai Renesasin omassa e² Studio ‑kehitysympäristössä. Ohjelmisto perustuu Arm-yrityksen Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) ‑ajuripakettiin ja käyttää Arm-pohjaisten suorittimien kehittäjille tuttuja ohjelmistorakenteita.

Kenties tärkein ominaisuus on se, että Renesas-ohjelmistopakettien mallirutiineja voi käyttää räätälöityjen ohjelmistojen kehittämisessä suoritettavana mallina. Esimerkiksi kuvassa 5 esitetyn EHC-ohjaimen toimintaketjun toteuttamiseen tarvitaan tietyt alustusprosessit, joilla virrankulutus alkulatauksen ja akun latauksen kaltaisissa avainvaiheissa rajoitetaan mahdollisimman pieneksi. Malliohjelmiston käynnistysrutiinissa on esitetty kaikki nämä alustus- ja määritysmenettelyt. Renesas tarjoaa kehittäjille vieläpä vapauden käyttää tätä käynnistysrutiinia, muuttaa sen parametreja tarpeen mukaan ja lisätä käynnistyssekvenssiin omaa ohjelmistokoodiaan (kuva 8).

Kuva 8: Renesas-ohjelmistojakeluun sisältyy mallikoodi RE01-mikrokontrollerin energian talteenottotoimintojen käynnistystä varten. Kaavioon on merkityt kohdat, joihin kehittäjät voivat lisätä omaa ohjelmistokoodiaan tai muokata parametreja. (Kuvan lähde: Renesas)

Kehittäjät voivat Renesas-arviointisarjan ja siihen liittyvien ohjelmistopakettien avulla tutustua nopeasti RE01-mikrokontrollerin eri toimintatiloihin ja arvioida energian talteenottomenetelmiä. Ympäristöä voi käyttää myöhemmässä vaiheessa oman sovelluksen ja räätälöinnin prototyyppitestaukseen.

Yhteenveto

Energian talteenotto on tehokas tapa pienentää pariston kokoa ja pidentää sen kestoa IoT-laitteiden kaltaisissa vähävirtaisissa järjestelmissä, mutta se voi myös kasvattaa laitekokoa huomattavasti ja tehdä ratkaisusta monimutkaisemman ja kalliimman. Silloin tarvitaan integroidumpaa lähestymistapaa.

Erilaisia toimilohkoja ja oheislaitteita täynnä oleva Renesasin mikrokontrolleriperhe sisältää sirulla täydellisen energian talteenoton osajärjestelmän, joka helpottaa ja yksinkertaistaa energian talteenottojärjestelmän suunnittelua. Kehittäjät voivat tuotteisiin liittyvien kehityskorttien ja ohjelmistojen avulla arvioida, tehdä prototyyppejä ja rakentaa nopeasti räätälöityjä ratkaisuja ja hyödyntää energian talteenoton etuja pienissä, edullisissa laitteissa.