Gebruik een microcontroller voor energie-opwekking om het vervangen van de IoT-batterij te elimineren

Ontwerpers van ongebonden Internet of Things (IoT)-apparaten zijn voortdurend op zoek naar betere manieren om deze apparaten van stroom te voorzien om de uitvaltijd in consumenten-, commerciële of industriële toepassingen tot een minimum te beperken. Primaire batterijen moeten voortdurend worden gecontroleerd, en wanneer zij uiteindelijk worden vervangen, vormen zij een belangrijk afvalprobleem. Oplaadbare batterijen lossen het afvalprobleem op, maar de toestellen moeten worden gedemonteerd, opgeladen en opnieuw gemonteerd.

De beperkingen van de traditionele benaderingen hebben geleid tot een toenemende belangstelling voor energie-oogsttechnieken waarbij omgevingsenergie wordt gebruikt om een apparaat van energie te voorzien. Het probleem voor ontwerpers is dat de circuits die nodig zijn om energie te oogsten en batterijen op te laden, de complexiteit, omvang en kosten van het ontwerp aanzienlijk kunnen doen toenemen.

In dit artikel wordt in het kort het gebruik van energie-oogst in IoT-toepassingen toegelicht en worden enkele van de uitdagingen beschreven waarmee ontwerpers worden geconfronteerd. Vervolgens wordt een benadering geïntroduceerd die deze uitdagingen overwint door energieoogst- en acculaadbeheercircuits te integreren in een microcontroller (MCU). Aan de hand van voorbeeldoplossingen voor apparaten en bijbehorende evaluatiekaarten van Renesas laat het artikel zien hoe de aanpak kan worden toegepast om vervanging van batterijen in IoT-apparaten effectief overbodig te maken.

Waarom energie oogsten voor IoT?

Energie oogsten is een aantrekkelijke oplossing voor IoT-toepassingen zoals draadloze sensorsystemen met een laag vermogen, waar het de inzet mogelijk maakt van volledig draadvrije apparaten die weinig of geen onderhoud vergen. Gewoonlijk hebben deze apparaten nog steeds een oplaadbare batterij of supercondensator nodig om aan de piekvermogensvraag te voldoen.

In principe kan het systeem, door het oogsten van omgevingsenergie, een kleinere energieopslagvoorziening gebruiken en de nuttige levensduur ervan verlengen. Op zijn beurt kan het resulterende IoT-ontwerp mogelijk in een kleinere verpakking passen, zolang de functionaliteit voor het oogsten van energie maar weinig aan het aantal onderdelen van het ontwerp toevoegt. In de praktijk echter frustreert de noodzaak van extra componenten om energie te oogsten pogingen om de ontwerpvoetafdruk te verkleinen.

Het probleem is dat een energiebron voor het oogsten van energie gewoonlijk afzonderlijke apparaten vereist om omgevingsenergie te oogsten en te zorgen voor een goed laadbeheer voor een energieopslagapparaat zoals een oplaadbare batterij of supercondensator. Deze extra functionaliteit, toegevoegd aan een reeds minimalistisch draadloos systeemontwerp bestaande uit een MCU, sensor en radiofrequentie (RF) zendontvanger, kan van een eenvoudig ontwerp met weinig onderdelen een relatief complex ontwerp maken (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het gebruik van energie-opwekking in IoT-apparaten kan de gebruikers ervan bevrijden van de kopzorgen over het onderhoud van de batterij, maar de extra vereisten hebben typisch geleid tot steeds grotere apparaten, een grotere complexiteit van het ontwerp en hogere kosten; dit alles staat haaks op de vereisten van een ongebonden IoT-ontwerp. (Bron afbeelding: Renesas)

Minimaliseren van componenten voor IoT-ontwerpen

Tot op heden zijn veel van de verschillende componenten die nodig zijn voor het oogsten van energie geïntegreerd in gespecialiseerde modules en geïntegreerde vermogensbeheercircuits (PMIC's) zoals de LTC3105/LTC3107 van Analog Devices, de S6AE101A van Cypress Semiconductor, de MCRY12-125Q-42DIT van Matrix Industries, en vele andere. Dergelijke toestellen leveren een gereguleerde spanningsrail van een zonnecel, thermo-elektrische generator (TEG), piëzo-elektrische trillingstransductor, of andere energiebron. Als zodanig kunnen ze dienen als een complete stroomvoorziening voor het oogsten van energie voor een basis IoT-hardware-ontwerp. Toch moeten ontwerpers hun grenzen verleggen om aan de toepassingseisen te voldoen en een concurrentievoordeel te behouden of te behalen.

De Renesas RE01 MCU-familie helpt bij het bereiken van deze doelen, want de integratieaanpak gaat verder door een energie-oogstcontroller (EHC) in het apparaat op te nemen. In feite kan een RE01 MCU zijn ingebouwde EHC gebruiken om een secundaire batterij op te laden terwijl de rest van het apparaat van systeemvoeding wordt voorzien. De RE01 is meer dan alleen een apparaat voor het oogsten van energie, en omvat zijn EHC met een 64 megahertz (MHz) Arm® Cortex®-M0+ kern, on-chip Flash, een trusted secure intellectual property (TSIP) blok, een 14-bit analoog-digitaal omzetter (ADC), timers, en meerdere perifere interfaces (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Renesas RE01-microcontrollerfamilie is gemaakt om het ontwerpen van apparaten op batterijen te vereenvoudigen. Hij combineert een complete controller voor het oogsten van energie met een zuinige Arm Cortex-M0+ processorkern, on-chip Flash en meerdere randapparaten en interfaces. (Bron afbeelding: Renesas)

De RE01 is ontworpen om de implementatie van batterijgevoede IoT-apparaten te vereenvoudigen en integreert een uitgebreide set relevante perifere functionaliteit. Naast de ADC en de seriële interfaces voor sensorintegratie bevat het toestel een motorstuurschakeling ("MTDV"-blok in Afbeelding 2) die tot drie motors kan aansturen, een constante stroombron die drie externe lichtgevende diodes (LED's) kan aansturen en een lagesnelheidsimpulsgenerator (LPG). Voor de uitvoer van displays integreert de RE01 MCU een grafische versneller voor tweedimensionale (2D) beeldverwerking, alsook een MIP-controller (Memory-in-Pixel) voor vloeibare kristallen (LCD). Voor real-time controle bevat de MCU tevens een watchdog-timer, een real-time klok (RTC) en een klokcorrectiecircuit (CCC) dat de klokprecisie handhaaft. Voor softwarecode en -gegevens combineert de RE01-familie de hierboven vermelde functionaliteit in aangesloten apparaten, waaronder de R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) met 1500 Kbytes Flash, en de R7F0E01182CFM (RE01 256KB) met 256 kilobytes (Kbytes) Flash.

Naast de functionele mogelijkheden biedt de RE01 MCU tal van mogelijkheden om het vereiste evenwicht te vinden tussen prestaties en stroomverbruik. De MCU kan werken in meerdere bedrijfsmodi die het stroomverbruik minimaliseren door de bedrijfsfrequentie te verlagen van de maximale 64 MHz tot 32,768 kilohertz (kHz) in een modus met lage lekstroom, met tussenliggende frequenties in de normale bedrijfsmodus van 32 MHz of 2 MHz. In normaal bedrijf verbruikt de R7F0E015D2CFP RE01 1500KB slechts 35 microampère per megahertz (µA/MHz) actieve stroom en slechts 500 nanoampère (nA) stroom in stand-by bij 1,62 volt. Zijn 14-bit ADC verbruikt slechts 4 µA, en voor het herschrijven van Flash-programmeringen is slechts ongeveer 0,6 milliampère (mA) nodig. Bij het leveren van de voeding voor deze normale bewerkingen integreert de EHC van de RE01 MCU een uitgebreide reeks mogelijkheden die ontworpen zijn om de implementatie van energie-oogst en batterijbeheer te vergemakkelijken.

Geïntegreerde controller voor het oogsten van energie vereenvoudigt het ontwerp

Dankzij de geïntegreerde EHC maken de RE01 MCU's de implementatie van energie-opwekking tot een vrij routineuze operatie. Ontwikkelaars hoeven alleen een stroomopwekkend element, zoals een zonnecel, TEG of trillingstransductor, rechtstreeks aan te sluiten op de VSC_VCC en VSC_GND pennen van de MCU. Als er voldoende omgevingsenergie beschikbaar is, kan de EHC MCU-uitgangspennen aansturen om een secundaire batterij (VBAT_EHC), een opslagcondensator (VCC_SU) en andere externe apparaten op te laden (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Met de geïntegreerde energie-oogstcontroller van de Renesas RE01 MCU kunnen ontwikkelaars snel hun voordeel doen met energie-oogst. (Bron afbeelding: Renesas)

De eenvoud van het ontwerp vloeit voort uit de volledige reeks functionele blokken in de RE01 MCU, zoals weergegeven in Afbeelding 4.

Afbeelding 4: De geïntegreerde besturingseenheid voor energie-opwekking van de Renesas RE01 MCU bevat alle functionaliteit die nodig is om een energieopwekkend element te gebruiken om de vereiste spanningsuitgangen te genereren. (Bron afbeelding: Renesas)

Naast de functionele blokken biedt de EHC verscheidene spanningsbewakingscircuits en verscheidene status- en controleregisters om de stroomvoorziening te orkestreren. Zo geeft een statusvlag voor een stroomopwekkend element (ENOUT) aan of dat element stroom opwekt. Omgekeerd geeft een laaddoelbewakingsvlag (CMPOUT) aan of er laadspanning op de secundaire batterij of op de opslagcondensator wordt gezet. Elk van deze kenmerken speelt een rol wanneer de EHC de operationele stadia doorloopt die gepaard gaan met het opstarten, normaal bedrijf en het uitputten van de batterij (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Met behulp van interne spanningsmonitoren, statusvlaggen en registers ondersteunt de geïntegreerde energie-oogstcontroller van de Renesas RE01 MCU het hele laadproces, van aanvankelijk opladen tot uitputting. (Bron afbeelding: Renesas)

Wanneer een stroomopwekkend element wordt aangesloten op de MCU, gaat de EHC de initiële laadperiode in. Hier laat de EHC stroom naar VCC_SU stromen, waardoor de opslagcondensator wordt opgeladen tot het spanningsniveau op VCC_SU een specifiek drempelspanningsniveau, VCC_SU_H, overschrijdt. Op dit punt gebruikt de EHC dan de opslagcondensator om te beginnen stroom te leveren aan het systeemdomein, VCC. Wanneer VCC de inschakeldrempelspanning (VPOR) overschrijdt, wordt het inschakelresetsignaal hoog, waardoor het apparaat uit de resetstand wordt vrijgegeven en tegelijkertijd ENOUT hoog wordt, wat aangeeft dat het stroomopwekkende element actief is.

Nadat de inschakelreset is vrijgegeven, wordt het laadcontroleregister VBAT_EHC van de EHC, VBATCTL, ingesteld op 11b, zodat het apparaat kan beginnen met het laden van de secundaire batterij. In feite wisselt de EHC tijdens deze periode zijn laaduitgang af tussen de secundaire accu en de opslagcondensator om de VCC-voeding in stand te houden terwijl de accu wordt opgeladen. Wanneer de spanning van de opslagcondensator onder een lagere drempelspanning, VCC_SU_L, daalt, schakelt de EHC over op VCC_SU totdat de bovendrempel VCC_SU_H wordt bereikt, waarna het opladen van de secundaire batterij wordt hervat. Dit proces gaat door totdat de spanning van de accu op VBAT_EHC de VBAT-drempel, VBAT_CHG, bereikt (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Zelfs nadat de geïntegreerde energie-oogstontroller (EHC) van de Renesas RE01 MCU de accu van het apparaat begint op te laden, blijft de EHC de opslagcondensator opladen, die zorgt voor de VCC-voeding van het systeem totdat de accu volledig is opgeladen. (Bron afbeelding: Renesas)

Nadat de batterij is opgeladen, wordt de QUICKMODE bit gezet, waardoor de EHC in de stabiele bedrijfstoestand komt. In deze toestand blijft de EHC de accu opladen vanuit het stroomopwekkende element, terwijl tegelijkertijd stroom vanuit de accu wordt geleverd aan het VCC-domein.

Als de omgevingsenergie daalt en het stroomopwekkende element stopt met stroom leveren, gaat de EHC door met het leveren van VCC uit de accu. Uiteindelijk zal de interne spanningsmonitor detecteren dat VBAT_EHC onder een vooraf ingestelde drempel, V_det1, is gezakt en zal het QUICKMODE bit op nul worden gezet. Zodra dit bit is ingesteld, wordt de stroomtoevoer naar het VCC-domein afgesneden en worden de EHC-registers geïnitialiseerd. Verdere verlaging van VCC onder_VPOR zorgt ervoor dat het apparaat het Power-on-resetsignaal reset. Om de werking te hervatten, moet het toestel de initiële oplaadprocedure uitvoeren nadat de omgevingsenergie voldoende is gestegen.

Evaluatiekit helpt bij snelle prototyping

Hoewel de ingebouwde EHC van de RE01 extra componenten overbodig maakt, moeten ontwikkelaars het toestel nog steeds configureren en de hierboven vermelde voorgeschreven reeks handelingen uitvoeren om de functies ervan te benutten. Om ontwikkelaars te helpen snel prototypes te maken en de RE01 serie op maat te ontwikkelen, levert Renesas de kant-en-klare evaluatiesets RTK70E015DS00000BE en RTK70E0118S00000BJ voor respectievelijk de RE01 1500KB en RE01 256KB. De RE01 1500KB kit biedt een kant-en-klaar ontwikkelingsplatform dat bestaat uit de RE01 1500KB MCU-kaart (Afbeelding 7), een LCD-uitbreidingsbord, een zonnepaneel en een USB-kabel. Naast de RE01 MCU bevat het ontwikkelingsbord een supercondensator, een aansluiting voor een externe oplaadbare batterij, schakelaars, LED's, een ingebouwde debugger en diverse interfaceconnectors, waaronder een Arduino Uno-header.

Afbeelding 7: De Renesas RE01 1500KB evaluatiekit bestaat uit een RE01 1500KB MCU-bord met een ingebouwde debugger en meerdere interfaceopties die bedoeld zijn voor evaluatie, prototypering en ontwikkeling op maat. (Bron afbeelding: Renesas)

Naast het hardware-ontwikkelplatform in de evaluatieset levert Renesas een uitgebreide set softwarepakketten die draaien onder de geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) Embedded Workbench van IAR Systems, of de eigen e² Studio IDE van Renesas. De software is gebaseerd op Arm's Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) driverpakket en maakt gebruik van softwareconstructies waarmee ontwikkelaars van code voor Arm-gebaseerde processoren vertrouwd zijn.

Het belangrijkste is misschien wel dat de voorbeeldroutines in de Renesas softwarepakketten een uitvoerbaar sjabloon bieden voor softwareontwikkeling op maat. Zo vereist de uitvoering van de in Afbeelding 5 getoonde EHC-bedieningssequentie een begeleidende reeks initialisatieprocedures die nodig zijn om het stroomverbruik tijdens belangrijke fasen, zoals het initieel opladen en het secundair opladen van de batterij, tot een minimum te beperken. Een bij de voorbeeldsoftware geleverde opstartroutine demonstreert elk van deze initialisatie- en instelprocedures. Nog beter is dat Renesas ontwikkelaars een duidelijk pad biedt om deze opstartroutine te gebruiken om zo nodig parameters te wijzigen en hun eigen softwarecode in de opstartsequentie in te voegen (afbeelding 8).

Afbeelding 8: Inbegrepen in de Renesas-softwaredistributie, voorbeeldcode voor het opstarten van de RE01 MCU-energie-oogstmogelijkheden demonstreert elke vereiste stap, terwijl wordt benadrukt waar ontwikkelaars parameters kunnen wijzigen of hun eigen softwarecode kunnen invoegen. (Bron afbeelding: Renesas)

Met de Renesas evaluatieset en bijbehorende softwarepakketten kunnen ontwikkelaars snel verschillende werkingsmodi van de RE01 MCU verkennen en methoden voor het oogsten van energie evalueren. Later biedt deze omgeving een effectief platform voor het snel prototypen van hun eigen toepassing en aangepaste ontwikkeling.

Conclusie

Energie oogsten biedt een effectieve oplossing voor het verkleinen van de batterijgrootte en het verlengen van de batterijduur in low-power systemen zoals IoT-apparaten, maar de aanpak kan de totale ontwerpgrootte, complexiteit en kosten aanzienlijk verhogen. Er is een meer geïntegreerde aanpak nodig.

Een serie MCU's van Renesas bevat een compleet on-chip subsysteem voor energie oogsten, dat het ontwerpen van systemen voor energie oogsten stroomlijnt en vereenvoudigt, en is voorzien van meerdere functionele blokken en randapparatuur. In combinatie met de bijbehorende ontwikkelingskaarten en software kunnen ontwikkelaars snel een evaluatie maken, een prototype maken en aangepaste ontwerpen bouwen die ten volle kunnen profiteren van de voordelen van het oogsten van energie met behulp van kleine, goedkope apparaten.