Een gids voor het selecteren en gebruiken voedingsbronnen voor IoT en IIoT

Hoe divers voor het Internet of Things (IoT) en het Industrial Internet of Things (IIoT) ontworpen apparaten ook zijn, ze vereisen allemaal een primaire voedingsbron voor gegevensinvoer, verwerking en communicatie. De diversiteit van functies en omgevingen van IoT-apparaten heeft echter geleid tot een grote verscheidenheid aan primaire voedingsbronnen, variërend van stroomkabels tot batterijen en zonnecellen.

Bovendien vereist de enorme keur aan functies en bedrijfsmodi, zoals "altijd aan" voor luisteren en "stand-by" voor snelle respons op invoerimpulsen, een zorgvuldige selectie van de interne voedingen van de apparaten. Het doel is om de efficiëntie te maximaliseren, de fysieke omvang te beperken en de vermogensdichtheid voor de toepassing te maximaliseren zonder dat de prestaties in gevaar worden gebracht of er veel thermisch beheer nodig is (het laatste kan een toename van de afmetingen, het gewicht en de kosten met zich meebrengen). Een andere overweging is de veiligheid van de gebruiker, die niet in gevaar mag komen.

In dit artikel worden de verschillende soorten voedingen besproken die in IoT-apparaten worden gebruikt en wordt gekeken naar een aantal voorbeelden van dergelijke producten, gemaakt door RECOM Power, die zijn ontworpen om aan deze vereisten te voldoen.

Op het elektriciteitsnet gebaseerde voedingen

IoT- of IIoT-apparaten die netvoeding gebruiken kennen minder vermogensbeperkingen dan draagbare apparaten. Netvoeding biedt in het algemeen vaste ingangsspanningen met voldoende hoge stroomniveaus. Andere voedingsbronnen, zoals zonnecellen, kunnen grotere variaties in spannings- en stroomniveaus vertonen, afhankelijk van hoeveel licht ze ontvangen en van de mate van spanningsregeling die is ingebouwd. IoT- of IIoT-apparaten moeten flexibele ingangsvermogenvereisten hebben om mogelijke variaties hierin te kunnen hanteren.

RECOM Power, een fabrikant van voedingsmodules, heeft een familie van ultra-compacte, volledige ingekapselde voedingsmodules van 5 watt ontworpen —de AC/DC-modules van de RAC05-K-serie —om tegemoet te komen aan de vereisten van IoT- of IIoT-toepassingen ten aanzien van de ingangsspanningsflexibiliteit.

Deze voedingsmodules werken met een ingangsspanning in het bereik van 85 tot 264 volt AC (47 tot 63 hertz (Hz)) of 120 tot 370 volt DC. Dit vrijwel universele lijningangsspanningsbereik maakt ze geschikt voor gebruik in huiselijke of industriële omgevingen waar dan ook ter wereld. Deze universele toepasbaarheid blijkt ook uit het bedrijfstemperatuurbereik van deze voedingsmodules: de RAC05-K-serie levert vol vermogen bij temperaturen van -25 ° C tot + 50 ° C en een gereduceerd uitgangsvermogen bij temperaturen van + 50 ° C tot + 70 ° C.

Afzonderlijke modellen van de serie hebben een vaste uitgangsspanning van 3,3, 5, 12, 15 of 24 volt. De RAC05-05SK van 5 volt heeft een voetafdruk van 25,4 x 25,4 millimeter (1 inch x 1 inch) op de printplaat, en is 16,5 mm (0,65 inch) hoog. Met zijn uitgangsvermogen van 5 watt heeft deze voedingsmodule een respectabele vermogensdichtheid van 7,7 watt per kubieke inch (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: de RECOM RAC05-05SK-voedingsmodule beschikt over 5 watt in een verpakking van 1” x 1” x 0,65” en levert 7,7 watt per kubieke inch volumetrische vermogensdichtheid. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Deze voedingsmodules hebben een efficiëntie van meer dan 80% en een onbelast vermogensverbruik van slechts 75 milliwatt (mW). Deze combinatie maakt ze geschikt voor toepassing in IoT/IIoT-apparaten van het type ‘altijd aan’ waar een hoge efficiëntie en een laag intern energieverlies helpen om het apparaat koel te houden.

De RAC05-K-serie is beveiligd via geïntegreerde zekeringen en bescherming tegen overspanning en kortsluiting. De modules voldoen aan de veiligheidsnormen IEC60950-1 en UL62368-1 en zijn conform de EMC-limieten van EN55032 Klasse B zonder externe componenten.

Dankzij hun brede ingangsspanningsbereik, kleine formaat, de veiligheidsfuncties en het brede bedrijfstemperatuurbereik zijn deze voedingsmodules ideaal voor vele op netvoeding werkende IoT- of IIoT-toepassingen.

Voedingsmodules die berekend zijn op industriële omgevingen

Industriële omgevingen stellen vaak speciale eisen aan voedingsmodules vanwege de omgevingsomstandigheden waaronder deze apparaten moeten werken. Dit soort voedingsmodules vinden we bijvoorbeeld in de RECOM R1SX-serie; deze DC/DC-omzetters hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40° tot +100°C zonder reductie van het vermogen. Met dit temperatuurbereik blijven de modules onder de meeste industriële omstandigheden veilig functioneren. Een voorbeeld van deze serie apparaten is de R1SX-3.305-R, een boost-DC/DC-omzetter van 1 watt die geschikt is voor een ingangsspanning van 3,3 volt en deze kan omzetten naar een uitgangsspanning van 5 volt.

Deze omzetters zijn ook DC-geïsoleerd tot 1 kilovolt (kV)/1 seconde met een optionele waarde van 3 kV/1 seconde. In de industriesector, waar aardlussen en elektrische ruis veel voorkomen, is isolatie belangrijk. Als de ingang en uitgang geïsoleerd zijn, worden deze aardlussen doorbroken en wordt de verspreiding van ruis tot het minimum beperkt. De R1SX-3.3-5 DC/DC-omzetter kan worden gebruikt bij het ondersteunen van geïsoleerde data-interfaces met niveauverschuiving (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: het handhaven van isolatie in een data-interface vereist niet alleen een digitale isolator maar ook geïsoleerde voedingen. Dit circuit gebruikt 3,3 volt aan de primaire zijde van de isolator en 5 volt aan de secundaire zijde om een logische niveauverschuiving te verkrijgen terwijl de galvanische isolatie wordt behouden. (Bron afbeelding: RECOM Power)

DC/DC-voedingen voor draagbare apparaten

Draagbare, op batterijen werkende IoT- of IIoT-apparaten vereisen kleine formaten en lage vermogensverliezen. Het doel is om de levensduur van de batterijen zoveel mogelijk te verlengen om ongewenste stilstand te beperken en het werk dat nodig is om batterijen in een groot aantal apparaten te vervangen te beperken. Belangrijke kenmerken van dergelijke ontwerpen zijn de mogelijkheid om voedingen in een rust- of standbymodus te schakelen wanneer ze niet nodig zijn, een hoge efficiëntie en een breed ingangsspanningsbereik om rekening te houden met de dalende batterijspanning aan het einde van de levensduur.

Een voorbeeld van DC/DC-omzetters met specificaties die geschikt zijn voor de vereisten van draagbare IoT-apparaten is de RECOM R-78S-serie. Een apparaat van de serie, de R-78S3.3-0.1, is ontworpen om 3,3 volt te produceren vanaf een 1,5 volt AA-batterij. De serie bevat ook apparaten met uitgangsspanningsniveaus van 1,8, 3,3, en 3,6 volt, bedoeld om een breed scala aan microprocessors en controllers met batterijen met enkele cel te voeden. Alle apparaten werken over een ingangsspanningsbereik van 3,15 volt tot 0,65 volt, waardoor de stroom van de batterij tot op de laatste milliwatt kan worden gebruikt. Deze stroomomzetter heeft een hoge typische efficiëntie van 93%, waardoor vermogensverlies tot het minimum wordt beperkt. Hij kan in een standbymodus worden geschakeld, waar hij slechts 7 microampère (µA) verbruikt. Deze stroomomzetter combineert hoge efficiëntie, standbymodus en breed ingangsspanningsbereik en is ideaal voor draagbare draadloze IoT-apparaten (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: een voorbeeld van het gebruik van de uitschakelmodus om de batterijlevensduur te verlengen in een draadloze toepassing. Een AA-cel van 2100 milliampère-uur (mAh) AA kan voor een aantal decennia 7 µA leveren. (Bron afbeelding: RECOM Power, gewijzigd door Art Pini)

De R-78S-serie biedt ook een breed bedrijfstemperatuurbereik van -40° tot +100°C, wat nuttig is voor een draagbaar apparaat dat wellicht bij extreme weersomstandigheden in een voertuig kan worden achtergelaten.

Het voorbeeld in Afbeelding 3 toont het gebruik van de standby- of slaapmodus, waarin het systeem slechts 20 microwatt (µW) verbruikt. In deze modus neemt de condensatorspanning, zoals aangegeven door de blauwe lijn, in de loop van de tijd af vanaf de volledig opgeladen waarde van 3,3 volt tot aan een drempelwaarde die wordt ingesteld door weerstanden R1 en R2; op dit moment geeft de microprocessor de converter het signaal om te ontwaken. Wanneer de omzetter in de actieve modus werkt, trekt het systeem slechts 200 µA en gedurende deze tijd wordt de condensator opnieuw opgeladen voor de volgende cyclus. Het stroomverbruik is evenredig met de inschakelduur van de actieve modus/ slaapmodus.

De lage ingangsspanningscapaciteit van RECOM R-78S-omzetters is een uitstekende eigenschap voor IoT- of IIoT-energieoogsttoepassingen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om de uitvoer van laagspanningsbronnen zoals zonnecellen of thermo-elektrische generatoren (TEG's) te boosten, om een oplaadbare cel van 3,3 volt op te laden (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: het schema toont het gebruik van de R-78S3.6-0.1 als een boost-omzetter, die een lage ingangsspanning van een zonnecel of TEG boost tot 3,6 volt om een oplaadbare cel van 3,3 volt op te laden via een diode. Het opladen kan al beginnen met ingangsspanningen van slechts 0,65 volt. (Bron afbeelding: RECOM Power)

De hogere uitgangsspanning (3,6 volt versus 3,3 volt) is nodig om de cel op te laden via de diode. De diode voorkomt dat de volledig opgeladen batterij de uitgang van de converter aanstuurt. Deze omzetters zijn ook beschermd tegen kortsluiting en overspanning om een betrouwbare werking te garanderen.

Referentie-ontwerpcircuits en evaluatieborden die R-78S3.3-0.1 gebruiken

Referentie-ontwerpen zijn handig om te bepalen of een component aan de ontwerpvereisten voldoet. In het geval van de DC/DC-omzetters van de R-78S-serie bieden ze een tool om het apparaat in de praktijk te evalueren (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: het referentie-ontwerp van de DC/DC-omzetters van de RECOM R-78S-serie laat zien hoe klein het apparaat is in vergelijk met een standaard AA-celbatterij. Deze referentie-ontwerpprintplaat kan in prototypes worden ingebouwd. (Bron afbeelding: RECOM Power, gewijzigd door Art Pini)

Het RECOM R-REF02-78S referentie-ontwerp is beschikbaar als een bestukte printplaat met simpele stiftlijsten van 0,100 inch en montagegaten voor eenvoudige inbouw in prototypes voor evaluatie. De inschakelpin voor de omzetter wordt naar een stiftlijst gebracht voor beoordeling van de slaapmodus van de omzetter.

Voor strengere apparaattesten biedt RECOM ook een evaluatiebord, de R-78S3.3-0.1-EVM-1, met meer testnodes op de stiftlijsten dan bij het referentie-ontwerp (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: het schema van het evaluatiebord RECOM R-78SS.3-0.1-EVM-1 toont de meer complete selectie van beschikbare testpunten en een USB-poort voor communicatie met het apparaat, indien gewenst. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Het evaluatiebord bevat alle elementen van het referentie-ontwerp maar met meer toegang tot de ingangs- en uitgangsaansluitingen van de omzetter. De extra draadbruggen en stiftlijsten zijn bedoeld om het uitvoeren van verschillende metingen en bepalen van apparaatparameters mogelijk te maken. Er is een USB-poort aanwezig voor het voeden van demonstratiecircuits buiten het bord.

Conclusie

Voeding voor IoT- en IIoT-toepassingen kan op verschillende manieren worden geleverd; via netvoeding, batterijen of energieoogst. De vereisten die aan de voedingsbron worden gesteld worden tot op zekere hoogte bepaald door de toepassing. Ontwerpers hebben veelzijdige voedingsapparaten nodig om hun ontwerpen geschikt te maken voor een breed scala aan bedrijfsscenario's. Dankzij hun brede ingangsbereik, hoge efficiëntie, kleine formaat en rust-/standbymodi zijn de hierboven besproken stroomomzetters van RECOM prima kandidaten als energiebronnen voor IoT- en IIoT-producten.