En guide till att välja och använda IoT- och IIoT-strömkällor

Enheter som konstruerats för sakernas internet (IoT) och det industriella sakernas internet (IIoT) kan skilja sig åt mycket, men de kräver alla en primär kraftkälla för datainmatning, bearbetning och kommunikation. Dock har den stora variationen hos IoT-enheternas funktioner och miljöer lett till stor variation även i primära strömkällor från strömförsörjningsledningar till batterier och solceller.

Dessutom innebär det stora urvalet av funktioner och driftlägen som "alltid på" för lyssning och "standby" för snabbt svar på ingångsstimulus att de interna strömkällorna måste väljas omsorgsfullt. Målet är att maximera effektiviteten, begränsa den fysiska storleken och maximera tillämpningens effekttäthet utan att kompromissa med prestanda eller kräva omfattande värmeavledning, där det senare kan öka storleken, vikten och kostnaden. En annan aspekt är användarsäkerhet och den kan inte kompromissas med.

I den här artikeln diskuteras de olika typer av strömförsörjningar som används i IoT-enheter och vi tittar närmare på några exempel från RECOM Power som är utformade för att uppfylla dessa krav.

Ledningsbaserade strömkällor

IoT- eller IIoT-enheter som använder ledningsbunden strömförsörjning har färre kraftbegränsningar än bärbara enheter. Ledningsbaserad strömförsörjning ger normalt ingångsspänningar med lämpliga strömnivåer. Andra strömkällor som solceller kan ha stora variationer i spänning och ström beroende på hur mycket solstrålning som kommer in och graden av spänningsreglering som används. IoT- eller IIoT-enheter måste ha flexibla ingångsströmkrav för att hantera möjliga variationer i ingångsström.

En tillverkare av strömkällor, RECOM Power, har tagit fram en familj av ultrakompakta, helt inkapslade strömkällor på 5 watt – RAC05-K-seriens AC/DC-moduler – för att uppfylla flexibilitetsbehoven när det gäller ingångsspänning i IoT- eller IIoT-tillämpningar.

Dessa strömförsörjningsmoduler arbetar med ingångsspänningar på mellan 85 och 264 volt AC (47 till 63 hertz (Hz)) eller 120 och 370 volt DC. Detta när på universella intervall av ingångsspänningar gör dem lämpliga för användning runt om i världen i hem- eller industrimiljöer. Detta demonstreras ytterligare genom dessa strömförsörjningars drifttemperaturområde: RAC05-K-serien är klassificerad att ge full effekt vid temperaturer från -25 °C till +50 °C och med reducerad uteffekt från +50 °C till +70 °C.

Enskilda modeller i serien har en fast utgångsspänning på 3,3, 5, 12, 15 eller 24 volt. 5-voltsmodellen RAC05-05SK har storleken 25,4 x 25,4 mm på kretskortet, med en höjd på 16,5 mm. Med uteffekt på 5 watt har den här kraftmodulen en bra effekttäthet 0,47 watt/kubikcentimeter (figur 1).

Figur 1: Kraftmodulen RECOM RAC05-05SK rymmer 5 watt i ett format på 25,4 x 25,4 x 16,5 mm vilket ger en effekttäthet på 0,47 watt/kubikcentimeter (Bildkälla: RECOM Power)

Dessa strömkällor har verkningsgrader på över 80 % och har en effektförbrukning i obelastat läge på endast 75 milliwatt (mW). Den här kombinationen gör dem lämpliga på IoT/IIoT-enheter som alltid är på där hög effektivitet och låga interna energiförluster hjälper till att hålla enheterna svala.

Ur säkerhetssynpunkt inkluderar RAC05-K-serien integrerade säkringar, överspänning och korslutningsskydd. De uppfyller säkerhetsstandarderna IEC60950-1 och UL62368-1 samt EN55032 EMC-gränserna klass B utan några externa komponenter.

Kombinationen av brett ingångsspänningsintervall, liten storlek, säkerhetsfokus och brett drifttemperaturområde gör dessa strömkällor perfekta för många ledningsdrivna IoT- eller IIoT-tillämpningar.

Strömkällor för industriellt bruk

I industrimiljöer krävs oftast särskilda strömförsörjningar på grund av de miljöförhållanden som råder där enheterna körs. Ett sådant sortiment av strömförsörjningar är RECOM:s R1SX-serie av DC/DC-omvandlare, som har ett drifttemperaturområde på -40 ° till +100 °C utan prestandareducering. Det är ett temperaturområde som hanterar de flesta industriförhållanden säkert. Ett exempel på en enhet från serien är R1SX-3.305-R, en förstärknings-DC/DC-omvandlare på 1 watt som tar emot 3,3 volt in och förstärker det till 5 volt ut.

Dessa omvandlare är också DC-isolerade till 1 kV/sekund med ett tillval på 3 kV/sekund. Isolering är viktigt inom industrin, där jordslingor och elektriskt brus är vanligt. Att isolera in- och utgångarna hjälper att bryta jordslingorna och minimera jordspridningen. DC/DC-omvandlaren R1SX-3.3-5 kan användas för att ge stöd för isolerade datagränssnitt med nivåväxling (figur 2).

Figur 2: Att bibehålla isoleringen i ett datagränssnitt kräver inte bara en digital isolator utan även isolerade strömförsörjningar. Den här kretsen använder 3,3 volt på isolatorns primärsida och 5 volt på dess sekundärsida för att uppnå en växling av logiknivå samtidigt som galvanisk isolering bibehålls. (Bildkälla: RECOM Power)

DC/DC-strömförsörjningar för portabla enheter

Portabla batteridrivna IoT- eller IIoT-enheter kräver liten storlek och låg effektförlust. Målet är att förlänga batterilivslängden så långt som möjligt för att minska oplanerad stilleståndstid och minska arbetsinsatsen som krävs för att byta batterier i ett stort antal enheter. Viktiga funktioner i sådana konstruktioner inkluderar förmågan att försätta strömförsörjningar i vilo- eller standbyläge när de inte behövs, hög verkningsgrad och ett brett ingångsspänningsområde för att hantera den minskade batterispänningen närmare slutet på livslängden.

Ett exempel på DC/DC-omvandlare med specifikationer som matchar IoT-krav för bärbar utrustning är RECOM R-78S-serien. En enhet i serien, R-78S3.3-0.1, är utformad att ge 3,3 volt från ett AA-batteri på 1,5 volt. Serien inkluderar även enheter med utgående spänningsnivåer på 1,8, 3,3 och 3,6 volt som är avsedda att driva ett stort urval av mikroprocessorer och styrenheter med bara ett knappcellsbatteri. Alla enheter arbetar vid ett ingående spänningsområde på 3,15 volt ner till 0,65 volt, vilket gör det möjligt att använda den sista milliwatten från batteriet. Den här strömomvandlaren har en hög typisk effektivitet på 93 %, vilket minimerar effektförlusten. Den kan försättas i standbyläge där den endast drar 7 mikroampere (µA). Med hög effektivitet, standbyläge och ett brett ingångsspänningsområde är den här strömomvandlaren idealisk för bärbara trådlösa IoT-enheter (figur 3).

Figur 3: Ett exempel som illustrerar användningen av avstängningsläge för att öka batteriets livslängd i en trådlös tillämpning. En AA-cell på 2100 milliamperetimmar (mAh) AA kan ge 7 µA i flera årtionden. (Bildkälla: RECOM Power, modifierad av Art Pini)

R-78S-serien har även ett stort driftområde på -40 till +100 °C vilket är användbart för bärbara enheter som kan lämnas kvar i fordon under extrema väderförhållanden.

Exemplet i figur 3 visar användning av standby- eller viloläge, då systemet endast förbrukar 20 mikrowatt (µW). I det här läget minskar kondensatorspänningen, som visas i blått, med tiden från full laddning och 3,3 volt tills den når en tröskel som ställts in med motstånden R1 och R2, när mikroprocessorn skickar en aktiveringssignal till omvandlaren. Systemet förbrukar endast 200 µA när omvandlaren är i aktivt läge, och då laddas kondensatorn för nästa cykel. Strömförbrukningen är proportionell mot arbetscykeln i aktivt läge/viloläge.

Möjligheten till låga ingångsspänningar hos RECOM R-78S-omvandlarna är en utmärkt funktion för IoT- eller IIoT-energiåtervinningstillämpningar. Till exempel kan de användas för att förstärka utmatningen från lågspänningskällor som solceller eller termoelektriska generatorer (TEG:er) för att ladda en laddningsbar cell på 3,3 V (figur 4).

Figur 4: Diagrammet visar användning av R-78S3.6-0.1 som boostomvandlare, med lågspänningsinmatning från en solcell eller TEG som förstärks till 3,6 volt för att ladda en laddningsbar cell på 3,3 volt via en diod. Laddningen kan börja med så låga ingångsspänningar som 0,65 volt. (Bildkälla: RECOM Power)

Den högre utgångsspänningen (3,6 volt jämfört med 3,3 volt) krävs för att ladda cellen via dioden. Dioden hindrar det fulladdade batteriet från att driva omvandlarens utmatning. Dessa omvandlare har även kortslutnings- och temperaturskydd för tillförlitlig drift.

Referensdesignkretsar och utvärderingskort med R-78S3.3-0.1

Referenskonstruktioner är användbara för att avgöra om en komponent uppfyller konstruktionskraven. När det gäller R-78S-seriens DC/DC-omvandlare erbjuder de ett praktiskt verktyg för att utvärdera enheten (figur 5).

Figur 5: Referensdesignen för RECOM R-78S-seriens DC/DC-omvandlare visar enhetens smidiga storlek jämfört med ett AA-standardbatteri. Det här referenskonstruktionskortet kan vävas in i prototyper. (Bildkälla: RECOM Power, modifierad av Art Pini)

Referensdesignen RECOM R-REF02-78S finns som ett förmonterat kretskort med enkla stiftlister på 0,100 tum och monteringshål för enkel anslutning till utvärderingsprototyper. Aktiveringsstiftet för omvandlaren leds ut till en stiftlist för att bedöma omvandlarens viloläge.

För mer ingående enhetstestning erbjuder RECOM även ett utvärderingskort, R-78S3.3-0.1-EVM-1, som har fler testnoder som är anslutna till stiftlister än referensdesignen (figur 6).

Figur 6: utvärderingskortschema till RECOM R-78SS.3-0.1-EVM-1 visar ett mer komplett urval av tillgängliga testpunkter och en USB-port för kommunikation med enheten om så önskas. (Bildkälla: RECOM Power)

Utvärderingskortet inkluderar alla delar i referensdesignen, men med ökad tillgång till omvandlarens in- och utgångsanslutningar. De extra byglingarna och stiftlisterna är avsedda att göra det möjligt att göra olika mätningar och bestämma enhetsparametrar. En USB-port inkluderas för att göra det möjligt att stänga av demonstrationskretsarna.

Slutsats

Ström till IoT- och IIoT-tillämpningar kan tillhandahållas på olika sätt, inklusive med ledningsmatning, batterier eller via energiåtervinning. Tillämpningen bestämmer i viss grad kraven på strömkällan. Konstruktörerna behöver mångsidiga strömkällor som kan hantera de många olika driftscenarierna. Med sitt breda inmatningsintervall, höga effektivitet, smidiga storlek samt vilo-och standbyläge är RECOM-effektomvandlarna som diskuteras ovan perfekta som energikällor för IoT- och IIoT-produkter.