Använd en microcontroller för energiutvinning för att slippa IoT-batteribyten

Konstruktörer av trådlösa IoT-produkter söker ständigt bättre sätt att driva dessa för att minimera driftstopp i konsumentprodukter och kommersiella och industriella tillämpningar. Primära batterier måste ständigt övervakas och när de så småningom byts ut medför de ett betydande avfallshanteringsproblem. Laddbara batterier löser problemet med avfallsomhändertagande, men dessa måste demonteras, laddas upp och monteras in igen.

Begränsningarna hos traditionella tillvägagångssätt har resulterat i ett ökat intresse för energiutvinningsteknik där omgivningsenergi används för att driva en anordning. Problemet för konstruktörer är att de kretsar som behövs för att utvinna energi och ladda batterier avsevärt kan öka konstruktionens komplexitet, storlek och kostnad.

I denna artikel redogörs kort för användningen av energiutvinning i IoT-tillämpningar och beskriver några av de utmaningar som konstruktörer står inför. Den introducerar sedan en metodik som löser dessa utmaningar genom att integrera kretsar för energiutvinning och batteriladdning på en microcontroller. Med exempel på produktlösningar och tillhörande utvärderingskort från Renesas, visas hur man använder metoden för att effektivt eliminera behovet av batteribyte i IoT-produkter.

Varför använda energiutvinning inom IoT?

Energiutvinning är en attraktiv lösning för IoT-produkter som strömsnåla, trådlösa sensorsystem, där det möjliggör distribution av helt trådlösa anordningar som kräver lite eller inget underhåll. Vanligtvis behöver dessa produkter fortfarande ett laddbart batteri eller superkondensator för att klara toppeffektkraven.

I princip kan systemet använda en mindre energilagringsenhet och livslängden kan förlängas genom att utvinna energin från omgivningen. I sin tur kan den resulterande IoT-konstruktionen potentiellt reduceras till ett mindre fysiskt format så länge som energiutvinningen inte tillför för många extra komponenter. I praktiken gör dock behovet av ytterligare komponenter för att implementera energiutvinningen att det är svårt att minska dimensionerna.

Problemet är att en källa för energiutvinning vanligtvis kräver separata komponenter för att utvinna omgivningsenergi och för att sköta laddningsstyrningen för en lagringsanordning, såsom ett uppladdningsbart batteri eller superkondensator. I en redan minimalistisk trådlös systemdesign som består av microcontroller, sensor och RF-mottagare, kan tillkommande funktioner göra en enkel konstruktion med några få komponenter till en relativt komplex sådan (Figur 1).

Figur 1: Användning av energiutvinning i IoT-produkter kan avlasta användarna från batteriunderhållsproblem, men de tillkommande kraven har ofta resulterat i gradvis större enheter, högre konstruktionskomplexitet och högre kostnader, vilket allt står i strid mot kraven som ställs på en trådlös IoT-konstruktion. (Bildkälla: Renesas)

Minimera antalet komponenter för IoT-konstruktioner

Hittills har många av de olika komponenter som behövs för energiutvinning integrerats i specialmoduler och integrerade strömstyrningskretsar (PMIC) som Analog Devices LTC3105/LTC3107, Cypress Semiconductors S6AE101A, Matrix Industries MCRY12-125Q-42DIT och många andra. Dessa produkter erbjuder en reglerad spänningsnivå från en solcell, termoelektrisk generator (TEG), piezoelektrisk vibrationsomvandlare eller annan energikälla. Som sådana kan de fungera som en komplett strömförsörjningskälla för en enkel IoT-hårdvarukonstruktion. Men konstruktörer måste pressa gränserna för att uppfylla produktkraven och upprätthålla eller skapa nya konkurrensfördelar.

Renesas microcontrollerfamilj RE01 bidrar till dessa mål eftersom den tar integrationsstrategin ett steg längre genom att inkludera en energiutvinningsstyrning i produkten. Faktum är att en RE01-microcontroller kan använda sin inbyggda energiutvinningsstyrning för att ladda ett sekundärt batteri samtidigt som systemet försörjer resten av enheten. RE01 innehåller, utöver sin energiutvinningsenhet, en styrenhet med 64 MHz-kärna (Arm® Cortex®-M0+), ett Flash-chip, ett TSIP-block, en 14-bitars A/D-omvandlare (ADC), timers och flera gränssnitt till externa kretsar (figur 2).

Figur 2: Renesas RE01-microcontrollerfamilj har skapats för att förenkla konstruktion av batteridrivna produkter och kombinerar en komplett energiutvinningsstyrning med en strömsnål processorkärna (Cortex-M0+), Flash-chip och flera kringkretsar och gränssnitt. (Bildkälla: Renesas)

RE01 är utvecklad för att förenkla konstruktion av batteridrivna IoT-produkter och inbegriper en omfattande uppsättning relevanta kringkretsar. Utöver A/D-omvandlaren och det seriella gränssnittet för sensorintegrering, inkluderar enheten en motorstyrkrets ("MTDV"-blocket i figur 2) som kan driva upp till tre motorer, en konstantströmkälla som kan driva tre externa lysdioder och en pulsgenerator för låga hastigheter (LPG). För bildutmatning har RE01-microcontrollern en grafisk accelerator för 2D-bildbehandling samt en memory-in-pixel-styrenhet för LCD-skärmar. För kraven på realtidsstyrning inkluderar microcontrollern också en watchdog-timer, en realtidsklocka (RTC) och klockkorrigeringskrets (CCC) som bibehåller precisionen på klockan. För programvarukod och data, kombinerar RE01-familjen den ovannämnda funktionaliteten i produkter i familjen, såsom R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) med 1500 Kb Flash, ochR7F0E01182CFM (RE01 256KB) med 256 Kb Flash.

Utöver sina funktionsegenskaper erbjuder RE01-microcontroller många alternativ för att hitta den nödvändiga balansen mellan prestanda och strömförbrukning. Microcontrollern kan köras i flera driftlägen som minimerar strömförbrukningen genom att sänka arbetsfrekvensen från dess maximala 64 MHz-hastighet ned till 32,768 kHz i lågläckströmsläge, med mellanfrekvenser i normalt driftläge på 32 MHz eller 2 MHz. I normal drift förbrukar R7F0E015D2CFP RE01 1500KB vanligtvis endast 35 µA/MHz aktiv ström och endast 500 nA ström i standby-läge på 1,62 V. Dess 14-bitars A/D-omvandlare drar bara 4 µA och omskrivningar till Flash drar bara ca 0,6 mA. För att tillhandahålla dessa normala operationer, inbegriper energiutvinningsstyrningen på RE01-microcontrollers en mängd funktioner för att underlätta implementering av energiutvinning och batterihantering.

Integrerad styrning för energiutvinning förenklar konstruktionen

Tack vare sin integrerade styrenhet för energiutvinning, gör RE01-microcontrollers själva energiutvinningen till en ganska rutinmässig operation. Utvecklare behöver bara ansluta ett kraftgenererande element som en solcell, TEG eller vibrationsgivare direkt till microcontrollerns VSC_VCC- och VSC_GND-pinnar. När tillräcklig miljöenergi finns tillgänglig kan utvinningsstyrningen driva utgångspinnar på microcontrollern för att ladda ett sekundärt batteri (VBAT_EHC), en lagringskondensator (VCC_SU) och andra externa enheter (Figur 3).

Figur 3: Den integrerade energiutvinningsstyrningen på Renesas RE01-microcontroller låter utvecklare snabbt komma igång med energiutvinning. (Bildkälla: Renesas)

Konstruktionens enkelhet härrör från hela uppsättningen funktionsblock som finns i RE01-microcontrollern som visas i figur 4.

Figur 4: Renesas RE01-microcontrollers integrerade energiutvinningsstyrning innehåller all funktionalitet som krävs för att använda ett effektgenererande element för att generera de nödvändiga spänningsutgångarna. (Bildkälla: Renesas)

Tillsammans med sina funktionsblocken tillhandahåller energiutvinningsstyrningen flera spänningsövervakningskretsar samt flera status- och kontrollregister för att ordna med energimatningen. Exempelvis anger en statusflagga (ENOUT) för kraftgenereringselementet om det elementet genererar ström. Omvänt indikerar en övervakningsflagga (CMPOUT) för laddningsmålet huruvida laddningsspänning är pålagt på sekundärbatteriet eller lagringskondensatorn. Var och en av dessa funktioner spelar en roll när energiutvinningsstyrningen genomgår de olika driftslägena som är associerade med start, normal drift och batteriskick (Figur 5).

Figur 5: Med hjälp av interna spänningsövervakare, statusflaggor och register stöder den integrerade energiutvinningsstyrningen på Renesas RE01-microcontrollers hela laddningssekvensen från initial laddning till slutförbrukat läge. (Bildkälla: Renesas)

När ett strömgenererande element ansluts till microcontrollern, övergår energiutvinningsstyrningen till den initiala laddningsperioden. Här möjliggör energiutvinningsstyrningen att strömmen flyter till VCC_SU och laddar lagringskondensatorn tills spänningsnivån på VCC_SU överstiger den specifika tröskelspänningsnivån VCC_SU_H. Vid denna punkt använder energiutvinningsstyrningen sedan lagringskondensatorn för att börja mata ström till systemdomänen, Vcc. När Vcc överskrider tröskelspänningen (VPOR), går Power-on-reset-signalen till hög, vilket frigör enheten från reset-läge och ger samtidigt ENOUT hög, vilket indikerar att det strömgenererande elementet är aktivt.

Efter att Power on-reset-läget släppts, sätts energiutvinningsstyrningens VBAT_EHC-laddningsregister VBATCTL till 11b, så att enheten kan börja ladda det sekundära batteriet. Under denna tid växlar energiutvinningsstyrning om laddningsutgång mellan sekundärbatteriet och lagringskondensatorn för att upprätthålla Vcc-matningen medan batteriet laddas. När lagringskondensatorns spänning sjunker under den lägre tröskelspänningsnivån, VCC_SU_L, kopplar energiutvinningsstyrningen om strömmen till VCC_SU tills den når den övre tröskeln VCC_SU_H, vid vilken tidpunkt den återupptar laddningen av det sekundära batteriet. Denna process fortsätter tills lagringsbatteriets spänning på VBAT_EHC når VBAT-tröskeln, VBAT_CHG (Figur 6).

Figur 6: Även efter att Renesas RE01-microcontrollerns integrerade energiutvinningsstyrning börjar ladda batteriet, fortsätter den att hålla laddningen på lagringskondensatorn, som tillhandahåller Vcc-systemmatningen tills batteriet är fulladdat. (Bildkälla: Renesas)

Efter att batteriet har laddats, aktiveras QUICKMODE-biten, vilket får energiutvinningsstyrningen att övergå till ett stabilt driftsläge. I detta tillstånd fortsätter energiutvinningsstyrningen att ladda batteriet från det kraftgenererande elementet samtidigt som det levererar ström från batteriet till Vcc-domänen.

Om den energiutvinningen från omgivning faller och det kraftgenererande elementet slutar ge ström, fortsätter energiutvinningsstyrningen att mata Vcc från batteriet. Så småningom kommer den interna spänningsövervakaren att upptäcka att VBAT_EHC har fallit under en förinställd tröskel, V_det1, och QUICKMODE-biten nollställs. När denna bit har aktiverats, bryts strömmen till Vcc-domänen och energiutvinningsstyrningens register initialiseras. Ytterligare minskning av Vcc till under V_POR gör att enheten nollställer signalen Power-on-reset. För att återuppta driften måste enheten alltså utföra den initiala laddningssekvensen efter att omgivningsenergin har stigit till tillräckliga nivåer.

Utvärderingssats underlättar snabb prototypframtagning

Även om RE01:s inbyggda energiutvinningsstyrning eliminerar behovet av ytterligare komponenter, måste utvecklare för att använda dess funktioner fortfarande konfigurera enheten och utföra den föreskrivna serien moment som anges ovan. För att hjälpa utvecklare att snabbt komma igång med prototyper och egen utveckling med RE01-familjen, erbjuder Renesas RTK70E015DS00000BE och RTK70E0118S00000BJ användningsklara utvärderingssatser för RE01 1500KB respektive RE01 256KB. RE01 1500KB-satsen erbjuder faktiskt en nyckelfärdig utvecklingsplattform som inkluderar RE01 1500KB microcontrollerkortet (Figur 7), ett LCD-expansionskort, en solpanel och en USB-kabel. Tillsammans med RE01-microcontrollern innehåller utvecklingskortet en superkondensator för lagring, ett kontaktdon för ett externt uppladdningsbart batteri, strömbrytare, lysdioder, en inbyggd felsökningsfunktion och flera gränssnittskontakter, inklusive en Arduino Uno-stiftlist.

Figur 7: Renesas utvärderingssats RE01 1500KB innehåller ett RE01 1500KB-microcontrollerkort med en inbyggd felsökningsfunktion och flera gränssnittsalternativ som är utformade för att underlätta utvärdering, prototypframtagning och egen utveckling. (Bildkälla: Renesas)

Tillsammans med maskinvaruutvecklingsplattformen som medföljer i utvärderingssatsen, tillhandahåller Renesas en mängd mjukvarupaket, som är utvecklade för att köras under IAR Systems integrerade utvecklingsmiljö (IDE) Embedded Workbench, eller Renesas egen e² Studio IDE. Programvaran, som är byggd på drivrutinspaketet Arms Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS), använder programvarukonstrukter som är kända av utvecklare av kod för Arm-baserade processorer.

Viktigast av allt är kanske att medföljande exempelrutiner i Renesas-mjukvarupaketet ger en körbar mall för egen mjukvaruutveckling. Exempelvis kräver implementering av energiutvinningsstyrningens driftssekvens, som visas i figur 5, en medföljande serie initialiseringsprocedurer som behövs för att minimera energiförbrukningen under viktiga steg som initial laddning och sekundär batteriladdning. En startrutin som medföljer exempelprogramvaran visar var och en av dessa initialiserings- och installationsprocedurer. Men det finns mer: Renesas erbjuder utvecklare en snitslad bana för att använda denna startrutin, ändra parametrar efter behov och infoga sin egen programkod i startsekvensen (Figur 8).

Figur 8: I Renesas programvarudistribution finns provkod för att starta RE01-microcontrollerns energiutvinning. Alla steg som krävs visas, samtidigt som det är markerat var utvecklarna kan ändra parametrar eller infoga sin egen programkod. (Bildkälla: Renesas)

Med hjälp av Renesas utvärderingspaket och tillhörande programvarupaket kan utvecklare snabbt utforska olika driftsätt för RE01-microcontrollern och utvärdera metoder för energiutvinning. Senare ger denna miljö en effektiv plattform för att snabbt prototyputveckla en egen applikation och bedriva egen utveckling.

Slutsats

Energiutvinning erbjuder en effektiv lösning för att minska batteristorleken och förlänga batteriets livslängd i strömsnåla system som IoT-enheter, men tillvägagångssättet kan medföra ökade dimensioner, komplexitet och kostnader för konstruktionen. Ett mer integrerat tillvägagångssätt krävs.

En familj av microcontrollers från Renesas har flera funktionsblock och kringkretsar och innehåller ett komplett delsystem för energiutvinning som effektiviserar och förenklar utvecklingen av system för energiutvinning. Genom att arbeta med tillhörande utvecklingskort och programvara, kan utvecklare snabbt utvärdera, prototypkonstruera och bygga egna konstruktioner som kan dra full nytta av fördelarna med energiutvinning med små, billiga komponenter.