Leitfaden zu Auswahl und Einsatz von Stromquellen für IoT- und IIoT-Anwendungen

So vielfältig die Geräte auch sein mögen, die für das Internet der Dinge (IoT) und das Industrielle Internet der Dinge (IIoT) entwickelt werden: Sie alle benötigen für die Eingabe, Verarbeitung und Kommunikation von Daten eine primäre Energiequelle. Die Vielfalt an IoT-Gerätefunktionen und -umgebungen hat jedoch zu einer Vielzahl unterschiedlicher Primärenergiequellen geführt, die von Netzspannung über Batterien bis hin zu Solarzellen reichen.

Darüber hinaus erfordert die riesige Vielfalt an Funktionen und Betriebsmodi, wie etwa der kontinuierliche Betrieb zur Empfangsbereitschaft und „Standby“ zum schnellen Reagieren auf Eingabe-Impulse, größte Sorgfalt bei der Auswahl der internen Stromversorgungsmodule. Die Ziele dabei sind: den Wirkungsgrad maximieren, die physische Größe möglichst klein halten und die Leistungsdichte der Anwendung maximieren, ohne dabei Einbußen bei der Performance hinnehmen oder umfangreiche Maßnahmen für das Wärmemanagement ergreifen zu müssen. Denn letzteres würde zum Anstieg von Größe, Gewicht und Kosten führen. Ein weiterer Aspekt ist die Benutzersicherheit, bei der keine Kompromisse eingegangen werden können.

In diesem Artikel soll es um die verschiedenen Arten von Stromversorgungsmodulen gehen, die in IoT-Geräten zum Einsatz kommen. Dazu sehen wir uns einige Beispiele von RECOM Power an, die speziell im Hinblick auf diese Anforderungen entwickelt wurden.

Netzspannungsbasierte Stromversorgungsmodule

IoT- oder IIoT-Geräte, die über Netzspannung versorgt werden, unterliegen weniger Beschränkungen beim Stromverbrauch als tragbare Geräte. Das Versorgungsnetz liefert im Allgemeinen feste Eingangsspannungen mit angemessenen Stromstärken. Bei anderen Stromquellen, wie etwa Solarzellen, kann es zu großen Spannungs- und Stromschwankungen kommen, die sich nach der Beleuchtungssituation und der Qualität der integrierten Spannungsregelung richten. IoT- oder IIoT-Geräte müssen über flexible Eingangsanforderungen verfügen, um mit möglichen Schwankungen des Eingangsstroms zurechtzukommen.

Ein Netzteilhersteller, RECOM Power, hat eine ganze Reihe von ultrakompakten, vollständig gekapselten 5-Watt-Netzteilen entwickelt – die RAC05-K-Reihe von AC/DC-Modulen –, um den Flexibilitätsanforderungen von IoT- und IIoT-Anwendungen bei der Eingangsspannung gerecht zu werden.

Diese Stromversorgungsmodule arbeiten mit Eingangsspannungen im Bereich von 85 bis 264 Volt AC (47 bis 63 Hertz (Hz)) oder 120 bis 370 Volt DC. Mit diesem nahezu universellen Bereich bei der Netzeingangsspannung eignen sie sich zum weltweiten Einsatz in häuslichen oder industriellen Umgebungen. Diese Einsatzbreite wird durch den Betriebstemperaturbereich der Module weiter unterstützt: Die RAC05-K-Reihe liefert volle Nennleistung bei Temperaturen von -25 °C bis +50 °C und eine herabgesetzte Leistung bei Temperaturen von +50 °C bis +70 °C.

Bei einzelnen Modellen der Reihe ist die Ausgangsspannung auf einen festen Wert von 3,3, 5, 12, 15 bzw. 24 Volt festgelegt. Das für 5 Volt ausgelegte RAC05-05SK nimmt auf der Platine eine Grundfläche von 1 Zoll x 1 Zoll (25,4 x 25,4 Millimeter (mm)) ein und hat eine Höhe von 0,65 Zoll (16,5 mm). Damit weist dieses Stromversorgungsmodul mit seiner Ausgangsnennleistung von 5 Watt eine respektable Leistungsdichte von 7,7 Watt pro Kubikzoll auf (Abbildung 1).

Abbildung 1: Beim Stromversorgungsmodul RAC05-05SK von RECOM sind 5 Watt in einem nur 1 x 1 x 0,65 Zoll großen Gehäuse gepackt, was eine volumetrische Leistungsdichte von 7,7 Watt pro Zoll ergibt. (Bildquelle: RECOM Power)

Diese Stromversorgungsmodule haben Wirkungsgrade von mehr als 80 % und verbrauchen im Leerlauf nur 75 Milliwatt (mW). Mit dieser Kombination eignen sie sich für kontinuierlich arbeitende IoT/IIoT-Geräte, bei denen hoher Wirkungsgrad und geringer interner Energieverlust dazu beitragen, die Geräte kühl zu halten.

Was die Sicherheit angeht, enthält die RAC05-K-Reihe integrierte Sicherungs-, Überspannungs- und Kurzschlussschutzfunktionen. Sie erfüllen die Sicherheitsstandards IEC60950-1 und UL62368-1 sowie die EMV-Grenzwerte gemäß EN55032 Klasse B ohne irgendwelche äußeren Komponenten.

Mit ihrer Kombination aus einem breitem Eingangsspannungsbereich, geringer Größe, sorgfältig gewählten Sicherheitsfunktionen und einem breiten Betriebstemperaturbereich eignen sich diese Netzteile ideal für viele netzbetriebene IoT- oder IIoT-Anwendungen.

Stromversorgungsmodule für industrielle Anwendungen

Für industrielle Umgebungen werden aufgrund der Umgebungsbedingungen, unter denen die Geräte arbeiten müssen, oft spezielle Stromversorgungsmodule benötigt. Eine solche Modulbaureihe ist die von RECOM angebotene R1SX-Reihe von DC/DC-Wandlern. Sie haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +100 °C ohne Leistungsminderung. Mit diesem Temperaturbereich ist der sichere Betrieb unter den meisten industriellen Bedingungen gewährleistet. Ein Beispiel aus dieser Reihe ist der R1SX-3.305-R, ein 1-Watt-DC/DC-Aufwärtswandler, der eine Eingangsspannung von 3,3 Volt akzeptiert und diese schrittweise bis zu einer 5-Volt-Ausgabe hochwandelt.

Diese Wandler sind außerdem bis 1 Kilovolt (kV)/1 Sekunde DC-isoliert, und es ist auch eine Variante mit 3 kV/1 Sekunde im Angebot. Diese Isolation ist in der Industrie sehr wichtig, wo sehr häufig Masseschleifen und elektrisches Rauschen auftreten. Durch die Isolation zwischen Eingang und Ausgang können diese Masseschleifen unterbrochen werden, und die Ausbreitung des Rauschens kann minimiert werden.  Der DC/DC-Wandler R1SX-3.3-5 kann zur Unterstützung isolierter Datenschnittstellen mit Pegelwandlung eingesetzt werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Aufrechterhaltung der Isolierung in einer Datenschnittstelle erfordert nicht nur einen digitalen Isolator, sondern auch isolierte Stromversorgungsmodule. Diese Schaltung arbeitet mit 3,3 Volt auf der Primärseite des Isolators und mit 5 Volt auf der Sekundärseite, um eine Logik-Pegelwandlung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der galvanischen Trennung zu erzielen. (Bildquelle: RECOM Power)

DC/DC-Stromversorgungsmodule für tragbare Geräte

Tragbare batteriebetriebene IoT- oder IIoT-Geräte erfordern eine kompakte Größe bei geringem Leistungsverlust. Ziel ist es, den Batteriebetrieb so weit wie möglich zu verlängern, um unerwartete Ausfallzeiten zu vermeiden und den Aufwand zu verringern, der mit dem Batteriewechsel bei einer Vielzahl von Geräten einhergeht. Zu den Hauptmerkmalen solcher Designs zählen die Fähigkeit, die Stromversorgungsmodule bei Nichtgebrauch in einen Ruhe- oder Standby-Modus zu versetzen, hoher Wirkungsgrad und ein breiter Eingangsspannungsbereich, um dem Abfall der Batteriespannung an ihrem Lebensende entgegenzuwirken.

Ein Beispiel für DC/DC-Wandler mit Spezifikationen, die zu den Anforderungen von tragbaren IoT-Geräten passen, ist die Reihe R-78S von RECOM. Ein Vertreter dieser Reihe, der R-78S3.3-0.1, erzeugt 3,3 Volt aus der Versorgung mit einer 1,5-Volt-AA-Batterie. Zu dieser Reihe gehören auch Komponenten mit Ausgangsspannungen von 1,8, 3,3 und 3,6 Volt, die für die Versorgung von unterschiedlichsten Mikroprozessoren und Controllern mit Einzellen-Batterien vorgesehen sind. Alle diese Komponenten arbeiten in einem Eingangsspannungsbereich von 3,15 Volt bis zu minimal 0,65 Volt, wodurch noch das letzte Milliwatt an Leistung aus der Batterie genutzt werden kann. Dieser Leistungswandler weist einen hohen typischen Wirkungsgrad von 93 % auf, was den Leistungsverlust minimiert. Er kann in einen Standby-Modus versetzt werden, in dem er lediglich 7 Mikroampere (µA) verbraucht. Mit seiner Kombination aus hohem Wirkungsgrad, Standby-Modus und breitem Eingangsspannungsbereich eignet sich dieser Leistungswandler perfekt für tragbare drahtlose IoT-Geräte (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Beispiel zur Nutzung des Schlafmodus, um die Batterielebensdauer in einer drahtlosen Anwendung zu verlängern. Eine AA-Zelle mit einer Kapazität von 2100 Milliamperestunden (mAh) kann auf diese Weise über mehrere Jahrzehnte 7 µA liefern. (Bildquelle: RECOM Power, modifiziert von Art Pini)

Die Reihe R-78S hat auch einen breiten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +100 °C und eignet sich damit für tragbare Geräte, die selbst unter extremen Witterungsbedingungen in einem Fahrzeug zurückgelassen werden können.

Das Beispiel aus Abbildung 3 zeigt die Verwendung eines Standby- oder Schlafmodus, in dem das System lediglich 20 Mikrowatt (µW) verbraucht. In diesem Modus fällt die Kondensatorspannung, wie durch die blaue Kurve gezeigt, im Lauf der Zeit von ihrem Wert von 3,3 Volt bei vollständiger Ladung bis zu einem Grenzwert ab, der durch die Widerstände R1 und R2 festgelegt wird. Bei diesem Grenzwert signalisiert der Mikroprozessor dem Wandler, dass er aufwachen muss. Das System verbraucht lediglich 200 µA, wenn der Wandler im aktiven Modus betrieben wird. In diesem Modus wird der Kondensator für den nächsten Zyklus geladen. Der Stromverbrauch ist proportional zum Schaltzyklus zwischen aktivem und Schlafmodus.

Der geringe Eingangsspannungsbedarf der R-78S-Wandler von RECOM ist ein herausragendes Merkmal für IoT- oder IIoT-Anwendungen mit Energy Harvesting. Zum Beispiel können sie zur Aufwärtsregelung von Niederspannungsquellen wie zum Beispiel Solarzellen oder thermoelektrische Generatoren (TEGs) eingesetzt werden, um damit eine wiederaufladbare 3,3-Volt-Zelle aufzuladen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Diagramm zeigt den Einsatz des R-78S3.6-0.1 als Aufwärtswandler. Dabei wird eine Niederspannungseingabe von einer Solarzelle oder einem TEG genommen und zu 3,6 Volt hochgeregelt, um über eine Diode eine wiederaufladbare 3,3-Volt-Zelle zu laden. Der Ladevorgang kann bei Eingangsspannungen ab 0,65 Volt beginnen. (Bildquelle: RECOM Power)

Die höhere Ausgangsspannung (3,6 Volt anstatt 3,3 Volt) wird benötigt, um die Zelle über die Diode aufzuladen. Die Diode verhindert, dass die vollständig aufgeladene Batterie den Wandlerausgang ansteuert. Diese Wandler verfügen auch über Kurzschluss- und Übertemperaturschutz, um ihren zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Referenzdesign-Schaltungen und Evaluierungskarten mit dem R-78S3.3-0.1

Referenzdesigns erleichtern die Beurteilung, ob eine Komponente den Designanforderungen gerecht wird. Im Falle der DC/DC-Wandler der R-78S-Reihe bieten sie ein praktisches Werkzeug zur Evaluierung des Bausteins (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Referenzdesign für die DC/DC-Wandler aus der R-78S-Reihe von RECOM zeigt die geringe Größe des Bausteins im Vergleich zu einer standardmäßigen AA-Batteriezelle. Diese Referenzdesign-Platine kann problemlos in Prototypen integriert werden. (Bildquelle: RECOM Power, modifiziert von Art Pini)

Das Referenzdesign R-REF02-78S von RECOM ist als bestückte Platine mit einfachen 0,100-Zoll-Steckleisten und Montagebohrungen erhältlich, die seine problemlose Integration in Prototypen zur Evaluierung ermöglichen. Der Enable-Pin für den Wandler ist zu einer äußeren Steckleiste geführt, um den Schlafmodus des Wandlers untersuchen zu können.

Für eine noch anspruchsvollere Baustein-Erprobung bietet RECOM auch eine Evaluierungskarte an, dieR-78S3.3-0.1-EVM-1. Sie verfügt im Unterschied zu dem Referenzdesign über noch mehr Testknoten, die von außen über Steckleisten zugänglich sind (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der Schaltplan der Evaluierungskarte R-78SS.3-0.1-EVM-1 von RECOM zeigt die noch umfassendere Auswahl an verfügbaren Testpunkten und einen USB-Anschluss, über den bei Bedarf die Kommunikation mit dem Baustein erfolgen kann. (Bildquelle: RECOM Power)

Die Evaluierungskarte enthält alle Elemente des Referenzdesigns, bietet jedoch besseren Zugriff auf die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Wandlers. Die zusätzlichen Jumper und Steckleisten ermöglichen die Durchführung verschiedener Messungen und die Ermittlung von Parametern des Bausteins. Ein USB-Anschluss erlaubt die Ansteuerung von außerhalb der Platine bereitgestellten Demonstrationsschaltungen.

Fazit

Zur Stromversorgung von IoT- und IIoT-Anwendungen stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: per Netzspannung, mit Batterien oder über Energy Harvesting. Welche Anforderungen die Stromquelle erfüllen muss, richtet sich in gewissem Maße nach der jeweiligen Anwendung. Entwickler benötigen vielseitige Stromversorgungsbausteine, um sicherstellen zu können, dass ihre Designs in den unterschiedlichsten Szenarien betriebsfähig sind. Mit ihrem breiten Eingangsbereich, ihrem hohen Wirkungsgrad, ihrer geringen Größe und ihren Ruhe- und Standby-Modi sind die hier vorgestellten Stromwandlerkomponenten von RECOM echte Spitzenkandidaten für den Einsatz als Energiequellen für IoT- und IIoT-Produkte.