MIT представляет новый энергоэффективный преобразователь для снижения энергопотребления в устройствах IoT
Исследователи MIT разработали энергоэффективный конвертер, который может добавить новый актив в набор инструментов дизайнеров устройств IoT.
Энергоэффективность в устройствах Internet of Things (IoT) стала критической задачей для дизайнеров из-за уменьшения размеров устройств и ограниченных возможностей хранения энергии.
Большинство устройств IoT обычно развертываются в труднодоступных местах или заменяют батареи. Таким образом, приводы и датчики должны идеально работать в течение многих лет от небольших источников питания, таких как батареи AA или батареек с монетными батареями.
По своей конструкции большинство из этих устройств проводят большую часть своего времени в режимах с низким энергопотреблением. Они активируются только тогда, когда необходимо выполнить определенную задачу, после чего они должны быстро вернуться в свое маломощное состояние. Тем не менее, задача заключается в разработке схем с наивысшей эффективностью при работе и при этом очень мало, если таковые имеются, ток утечки, когда он находится в режиме ожидания.
Давайте проверим новый эффективный конвертер MIT. Но, во-первых, мы рассмотрим некоторые из вопросов, связанных с подключением устройств IoT, а также к тому, как дизайнеры столкнутся с ними.
Проблемы с питанием устройств IoT и других небольших устройств с батарейным питанием
- Мобильные устройства и ноутбуки используют мощные операционные системы для активации различных режимов энергосбережения, таких как включение в спящий режим или затемнение дисплея после периодов бездействия. Однако использование высокоуровневых операционных систем практически невозможно для недорогих датчиков ионизации и приводов из-за ограниченной памяти на кристалле.
- Большинство силовых преобразователей потребляют электроэнергию даже в режиме ожидания или не обеспечивают никакого тока нагрузки. Схема может потреблять ток микропамяти или больше для поддержания этой покоя. Иногда это может быть даже выше, чем того требуют некоторые функции малой мощности в устройстве.
- Частое повышение эффективности по широкому диапазону токов - от глубокого сна или ожидания до полной работы устройства - часто невозможно. Например, устройство будет набирать несколько микроампер в режиме ожидания, но при этом потребует десятки или сотни миллиампер, когда они активны и выполняют энергоемкие действия, такие как передача данных. Это создает проблемы для дизайнеров, поскольку они пытаются обрабатывать соотношение 1 000 000: 1 между минимальным и максимальным уровнями тока.
Стратегии энергосбережения для устройств IoT
Достижение общей энергоэффективности требует целого ряда стратегий энергосбережения. В эти стратегии входит выбор эффективного оборудования и дизайна, а также эффективных программных подпрограмм и кодов. Конструкция преобразователя, аппаратные компоненты, программный код, обработка данных, шифрование и сетевые протоколы влияют на общие энергетические требования устройства.
Важно понимать энергетический профиль устройства как в активном, так и в режиме ожидания. Здесь дизайнеры могут анализировать работу схемы, процессы и программные подпрограммы, чтобы установить, где используется или потеряно большинство энергии, и если есть какие-либо возможности экономии энергии.
Платформа разработчика Waspmote Mote Runner для 6LoWPAN. Изображение предоставлено Libelium
Ниже приведены некоторые из различных подходов, которые могут помочь разработчикам снизить динамическое и статическое потребление энергии в устройствах с малой мощностью, с батарейным питанием. Они могут использоваться в комбинации или индивидуально в зависимости от конкретных потребностей приложения.
Снижение утечки в транзисторных переключателях
Транзисторы в электронных переключателях не являются полностью совершенными изоляторами и позволят потоку малых токов, даже когда они находятся в выключенном или холостом состоянии. Хотя ток утечки, как правило, очень мал, он может добавить к значительным потерям мощности, поскольку многие устройства IoT проводят большую часть своего времени в незанятом состоянии.
Применение отрицательного заряда на затворе гарантирует, что устройство полностью отключится и ток не протекает, когда передатчик не работает, а транзистор находится в выключенном состоянии. Однако это эффективно только в том случае, если генерация отрицательного заряда требует гораздо меньше энергии по сравнению с тем, что схема потеряла бы через утечку.
Снижение энергопотребления цепи передатчика
Частота передачи обычно зависит от напряжения. Поэтому большинство конструкций могут требовать высокого напряжения цепи, чтобы заботиться обо всех частотах. Однако, разделяя RF-сигнал на дискретные шаги, низковольтный преобразователь может подавать большую часть шагов на нижнем конце, а затем увеличивать локальное напряжение для меньшего количества шагов в верхнем спектре.
Такая схема преобразователя использует индукторы и конденсаторы для увеличения напряжения низкой цепи до уровня, требуемого несколькими шагами, требующими более высоких значений. При таком подходе возможно спроектировать схемы с низким общим напряжением и по-прежнему иметь возможность эффективно передавать более высокие частоты.
Создание нескольких уровней напряжения от одного внутреннего источника питания
Некоторые устройства используют интегральные схемы управления питанием (PMIC) для обеспечения нескольких уровней напряжения от одного источника. Это позволяет управлять различными цепями с различными требованиями к напряжению, и каждый из рельсов может быть настроен для обеспечения достаточной мощности для этого конкретного приложения.
Это позволяет использовать низкое напряжение для подачи большинства цепей и генерировать только высокую мощность для конкретных приложений, которые в ней нуждаются. PMIC могут включать такие функции, как сброс, сторожевой таймер и т. Д.
Texas TPS65290 с ультранизким энергопотреблением IC
Выбор и оптимизация оборудования IoT Device
Правильный выбор микроконтроллера, который потребляет большую часть энергии в устройстве, имеет решающее значение. Микроконтроллер должен быть энергоэффективным во время работы, а также иметь возможность быстро просыпаться от сна или в любом другом режиме с низким энергопотреблением.
Но дизайнеры также должны обратить внимание на все остальные компоненты. Основными потребителями энергии в устройствах IoT являются датчики, беспроводной интерфейс, регуляторы напряжения, устройства памяти и схемы управления питанием.
Хотя хорошая аппаратная и программная конструкция имеет решающее значение, схема датчика должна различать фактические сигналы и окружающие условия, такие как шум в устройствах распознавания речи. Это не позволяет устройству IoT проснуться и отключить все компоненты из-за ложных сигналов.
Ниже приведены воздействия на потребление энергии различными компонентами и приложениями на основе типа и функций устройства:
- MCU без аппаратного обеспечения шифрования потребует запуска программных алгоритмов, следовательно, проходит через несколько циклов, которые непосредственно влияют на потребление энергии.
- Интеграция быстрой, энергонезависимой, встроенной памяти может привести к значительной экономии энергии в устройствах IoT. В то время как устройства EEPROM требуют 6 мА и 3 мА для операции чтения и записи соответственно, чипы с энергоэффективным сегнетоэлектрическим ОЗУ (FRAM) потребляют около 200 мкА. FRAM сочетает в себе быстрые скорости с энергонезависимым хранением данных, поэтому потребляет гораздо меньше энергии как в активном и режим сна, поскольку он все еще сохраняет информацию даже при полном отключении.
- Интегрированные датчики со встроенным сигнальным кондиционированием более энергоэффективны по сравнению с дискретными устройствами, которые обычно устанавливают дополнительные требования к обработке на микроконтроллере. Кроме того, дискретные решения требуют, чтобы MCU оставался активным в течение более длительных периодов времени.
- Выбор протокола IoT влияет на другие функции, такие как гибкость, утечка энергии, надежность, дальность и безопасность, все из которых имеют определенные потребности в мощности.
Оптимизация программного обеспечения устройства IoT
Минимизировать потери энергии в оборудовании недостаточно. Также необходимо оптимизировать программные процессы и сделать их более энергоэффективными. Эта оптимизация включает в себя определение и оптимизацию программных подпрограмм, которые, как представляется, используют наибольшую энергию. Например, дизайнеры могут свести к минимуму время пробуждения и заставить устройство оставаться в режиме малой мощности или сна или режиме в течение максимально длительного времени.
Новое решение: новый энергоэффективный конвертер MIT
Исследователи из MIT Microsystem Technologies Laboratories уже работают над эффективным преобразователем для небольших устройств питания, таких как датчики IoT, беспроводные радиоприемники и другое небольшое электронное оборудование.
Это понижающий преобразователь, который работает с входным напряжением от 1, 2 до 3, 3 вольта, который затем уменьшает до 0, 7 и 0, 9 вольт. Вместо того, чтобы поставлять непрерывную энергию, как обычные преобразователи, преобразователь MIT просто посылает достаточно энергетических пакетов, которые схема требует для выполнения определенной задачи.
Преобразователь использует электронные переключатели, конденсатор, индуктор и переменные часы, которые включают и выключают переключатели с разной скоростью в зависимости от требований к питанию. Когда устройство находится в спящем режиме, отправляется только несколько пакетов, но когда требуется выполнить высокоэнергетическую задачу, например, для измерения и передачи данных, преобразователь посылает миллионы энергетических пакетов, достаточно для выполнения задачи, Энергоэффективный конвертер MIT делает следующее:
- Уменьшает количество энергии, которое использует устройство во время работы, просто поставляя то, что требует схема
- Снижает потребление энергии в режиме сна или отдыха примерно на 50 процентов
- Поддерживает энергоэффективность в гораздо более широком диапазоне токов, составляющих от 500 пикоампов до 1 миллиампа
Этот подход приводит к примерно 50-процентному сокращению потребностей покоя или покоя, поэтому обеспечивается огромная экономия энергии.
Увеличение энергоэффективности в IoT и других маломощных устройствах с батарейным питанием требует ряда стратегий, которые уменьшают потребление энергии во время активного и спящего режима. Такие факторы, как дизайн конвертера, аппаратные компоненты и программные коды, влияют на то, как устройство использует энергию.
Снижение энергопотребления значительно увеличивает срок службы батареи или позволяет подключать небольшие устройства к источникам окружающей среды. Новый дизайн конвертера MIT может позволить разработчикам разрабатывать широкий спектр низкоэнергетических приложений, которые позволят устройствам IoT стать действительно эффективными.
Рекомендуемое изображение, предоставленное MIT