En guide til å velge og bruke IoT- og IIoT-strømkilder

Selv om enhetene som er designet for IoT (Internet of Things) og IIoT (Industrial Internet of Things) er veldig forskjellige, så krever alle en hovedstrømkilde for datainnmating, behandling og kommunikasjon. Men siden IoT-enheter har så mange ulike funksjoner og miljøer, finnes det et bredt utvalg av hovedstrømkilder, alt fra strømledninger til batterier og solceller.

Det omfattende utvalget med funksjoner og driftsmoduser, så som «alltid på» for lytting og «ventemodus» for rask respons på inndatastimulans, krever også et utvalget med interne strømforsyninger. Målet er å maksimere effektiviteten, holde den fysiske størrelsen liten og maksimere strømtettheten for bruksområdet uten å redusere ytelsen eller kreve omfattende varmestyring. Sistnevnte kan øke størrelse, vekt og kostnader. En annen vurdering er brukersikkerhet, som ikke kan kompromitteres.

Denne artikkelen drøfter de ulike strømforsyningstypene som brukes på IoT-enheter, og ser på noen eksempler fra RECOM Power som er utformet for å oppfylle disse kravene.

Linjebaserte strømforsyninger

IoT- eller IIoT-enheter som bruker linjestrøm, har færre strømbegrensninger enn bærbare enheter. Linjestrøm gir vanligvis faste inndataspenninger med tilstrekkelige strømnivåer. Andre strømkilder, for eksempel solceller, kan ha store variasjoner i spenning og strømnivåer, avhengig av belysningen og graden av innarbeidede spenningsforskrifter. IoT- eller IIoT-enheter må ha fleksible krav til inngangsstrøm for å håndtere mulige inngangsstrømvariasjoner.

En strømforsyningsprodusent, RECOM Power, har utformet en serie med ultra-kompakte, fullt innkapslede strømforsyninger på 5 watt – RAC05-K-serien med AC/DC-moduler – for å oppfylle kravene til fleksibel inngangsspenning for IoT- eller IIoT-bruksområder.

Disse strømforsyningsmodulene fungerer med inngangsspenning fra 85 til 264 volt AC (47 til 63 hertz (Hz)) eller 120 til 370 volt DC. Dette nesten universelle linjeinngangsspenningsområdet gjør dem egnet for bruk i hjemmet og i industrielle miljøer over hele verden. Dette demonstreres av driftstemperaturområdet til disse strømforsyningstypene: RAC05-K-serien er klassifisert for å produsere full strøm i temperaturer fra -25 °C til +50 °C, og med nedskrevet utgangsstrøm fra +50 °C til +70 °C.

Individuelle modeller i serien har en fast utgangsspenning på enten 3,3, 5, 12, 15 eller 24 volt. RAC05-05SK på 5 volt har en monteringsflate på 1 tomme x 1 tomme (25,4 x 25,4 millimeter (mm)) på det trykte kretskortet, og en høyde på 0,65 tommer (16,5 mm). Denne strømmodulen har en utgangsklassifisering på 5 watt og en respektabel strømtetthet på 7,7 watt per kubikktomme (figur 1).

Figur 1: RECOM RAC05-05SK-strømmodulpakken på 5 watt i en pakke på 1" x 1" x 0,65" gir 7,7 watt per kubikktomme volumetrisk strømtetthet. (Bildekilde: RECOM Power)

Disse forsyningene har høyere effektivitet enn 80 %, og har et tomgangsstrømforbruk på kun 75 milliwatt (mW). Denne kombinasjonen gjør dem aktuelle for IoT-/IIoT-enheter med «alltid på»-status der høy effektivitet og lavt indre energitap bidrar til å holde enheter nedkjølt.

Av sikkerhetsmessige årsaker inkluderer RAC05-K-serien integrert sikring, overspenning og beskyttelse mot kortslutning. De er i samsvar med sikkerhetsstandardene IEC60950-1 og UL62368-1 og oppfyller EN55032 klasse B EMC-begrensningene uten eksterne komponenter.

Stort inngangsspenningsområde, liten størrelse, fokus på sikkerhet og bredt driftstemperaturområde kombineres for å gjøre disse tilleggene ideelle for mange linjedriftede IoT- eller IIoT-bruksområder.

Industriklassifiserte forsyninger

Industrielle miljøer krever ofte spesielle strømforsyninger på grunn av miljøforhold som disse enhetene driftes i. En av disse linjeforsyningene er RECOM R1SX-serien med DC/DC-omformere som har et driftstemperaturområde på -40 til +100 °C uten nedskrivning. Dette temperaturområdet håndterer de fleste industrielle forhold på en sikker måte. En eksempelenhet fra serien er R1SX-3.305-R, en 1 watt opptransformeringsomformer for DC/DC som godtar en 3,3 volt inngang og forbedrer den til en 5 volt utgang.

Disse omformerne er også DC-isolert til 1 kilovolt (kV)/1 sekund med en valgfri 3 kV/1 sekund-klassifisering tilgjengelig. Isolering er viktig i den industrielle verden, der jordsløyfer og elektrisk støy er svært vanlig. Når inngangen og utgangen isoleres, bidrar dette til å bryte disse jordsløyfene og minimere støyoverføring.  R1SX-3.3-5 DC/DC-omformeren kan brukes til å støtte isolerte datagrensesnitt med nivåforskyvning (figur 2).

Figur 2: Opprettholdelse av isolering i et datagrensesnitt krever ikke bare en digital isolator, men også isolerte strømforsyninger. Denne kretsen bruker 3,3 volt på hovedsiden av isolatoren og 5 volt på den sekundære siden for å oppnå en endring i logikknivået samtidig som den galvaniske isoleringen opprettholdes. (Bildekilde: RECOM Power)

DC/DC-strømforsyninger for bærbare enheter

Bærbare og batteridrevne IoT- eller IIoT-enheter krever liten størrelse og lavt strømtap. Målet er å forlenge batteriets levetid så lenge som mulig for å redusere uventet nedetid og redusere arbeidsmengden som kreves for å skifte ut batteriene i et stort antall enheter. Viktige funksjoner i slike utforminger inkluderer muligheten til å plassere strømforsyninger i en hvilestrøm- eller ventemodus-tilstand når de ikke trengs, høy effektivitet og et bredt inngangsspenningsintervall for å ta høyde for redusert batterispenning ved slutten av levetiden.

Et eksempel på DC/DC-omformere med spesifikasjoner som samsvarer med IoT-kravene for bærbare enheter, er RECOM R-78S-serien. En enhet fra serien, R-78S3.3-0.1, er utformet til å produsere 3,3 volt fra et 1,5 volt AA-batteri. Serien inkluderer også enheter med utgangsspenningsnivåer på 1,8, 3,3 og 3,6 volt som har til hensikt å drive et bredt utvalg av mikroprosessorer og styringer fra encellebatterier. Alle enhetene driftes med et inngangsspenningsområde på 3,15 volt ned til 0,65 volt. Dette gjør det mulig å bruke den siste milliwatten på batteriet. Denne strømomformeren har en høy, vanlig effektivitet på 93 %, og minimerer dermed strømtapet. Den kan plasseres i ventemodus der den kun trekker 7 mikroampere (μA). Med en kombinasjon av høy effektivitet, ventemodus og et bredt inngangsspenningsområde, er denne strømomformeren ideell for bærbare, trådløse IoT-enheter (figur 3).

Figur 3: Et eksempel som illustrerer bruken av avslutningsmodus for å forlenge batterilevetiden i et trådløst bruksområde. En AA-celle på 2100 milliamperetime (mAh) kan gi 7 μA i flere tiår. (Bildekilde: RECOM Power, endret av Art Pini)

R-78S-serien har også et bredt driftsområde på -40 til +100°C – nyttig for en bærbar enhet som kan være igjen i en bil under ekstreme værforhold.

Eksemplet i figur 3 viser bruken av ventemodus eller dvalemodus der systemet kun bruker 20 mikrowatt (μW). Når du er i denne modusen, reduseres kondensatorspenningen over tid fra den fulladede verdien på 3,3 volt, til den når en terskel satt av motstandere R1 og R2, og mikroprosessoren signaliserer at konverteringsprogrammet vekkes, som vist med den blå sporingen. Systemet trekker kun 200 μA når omformeren driftes i aktivmodus, og kondensatoren lades opp for neste syklus. Strømforbruket er proporsjonalt med driftssyklusen for aktiv modus / dvalemodus.

Den lave inngangsspenningen til RECOM R-78S-omformere er en enestående funksjon for IoT- eller IIoT-energihøstingsbruk. De kan for eksempel brukes til å øke effekten av lavspenningskilder, for eksempel solceller eller termo-elektriske generatorer (TEG-er), for å lade en 3,3 volt oppladbar celle (figur 4).

Figur 4: Diagrammet viser bruken av R-78S3.6-0.1 som en opptransformeringsomformer, der den tar en lavspenningsinngang fra en solcelle eller TEG og øker den til 3,6 volt for å lade en 3,3 volt oppladbar celle via en diode. Ladingen kan begynne med inngangsspenninger så lave som 0,65 volt. (Bildekilde: RECOM Power)

Høyere utgangsspenning (3,6 volt kontra 3,3 volt) er nødvendig for å lade cellen via dioden. Dioden hindrer at det fulladede batteriet kjører utgangen på omformeren. Disse omformerne er også beskyttet mot kortslutning og overtemperatur for å sikre at de kjører på en pålitelig måte.

Referansedesignkretser og evalueringskort ved bruk av R-78S3.3-0.1

Referansedesign er nyttige for å avgjøre om en komponent oppfyller designbehovene. R-78S-serien med DC/DC-omformere tilbyr et praktisk verktøy for å evaluere enheten (figur 5).

Figur 5: Referansedesignet for RECOM R-78S-serien med DC/DC-omformere viser den lille størrelsen på enheten sammenlignet med et standard AA-cellebatteri. Dette referansedesign-kretskortet kan innlemmes i prototyper. (Bildekilde: RECOM Power, endret av Art Pini)

RECOM R-REF02-78S-referansedesignet er tilgjengelig som et bestykket kretskort med enkle 0,100 tommers hoder og monteringshull for enkel innlemmelse i evalueringsprototyper. Aktiveringspinnen for omformeren hentes til et hode for vurdering av hvilemodus på omformeren.

RECOM tilbyr også et evalueringskort, R-78S3.3-0.1-EVM-1, for strengere testing av enheter, som har flere testnoder hentet til hoder enn på referansedesignet (figur 6).

Figur 6: RECOM R-78SS.3-0.1-EVM-1-evalueringskortskjematikk viser hele utvalget med tilgjengelige testpunkter og en USB-port for kommunikasjon med enheten, hvis ønskelig. (Bildekilde: RECOM Power)

Evalueringskortet inkluderer alle elementene i referansedesignet, men øker tilgangen til inngangs- og utgangstilkoblinger for omformer. De ekstra jumperkablene og hodene er ment å tillate at forskjellige målinger kan foretas, og at enhetsparametere fastsettes. Vi inkluderer en USB-port for å tillate strømtilførsel av demonstrasjonskretser uten kort.

Konklusjon

Strøm for IoT- og IIoT-bruksområder kan leveres på flere måter, inkludert linjestrøm, batterier eller via energihøsting. Bruksområdet vil til en viss grad avgjøre kravene til strømkilden. Designere trenger allsidige strømenheter for å sikre at designene kan håndtere det brede spekteret av driftsscenarioer. Med et bredt inngangsområde, høy effektivitet, liten størrelse og hvilestrøms- og ventemodus, er RECOM-strømomformingsenhetene som er nevnt ovenfor, gode kandidater som energikilder for IoT- og IIoT-produkter.