Guide de sélection et d'utilisation des sources d'alimentation IoT et IIoT

Malgré la diversité des dispositifs conçus pour l'Internet des objets (IoT) et l'Internet industriel des objets (IIoT), ils nécessitent tous une source d'alimentation principale pour la saisie, le traitement et la communication de données. Cependant, la nature diversifiée des fonctions et des environnements des dispositifs IoT a donné lieu à une grande variété de sources d'alimentation principales, allant des lignes électriques aux batteries, en passant par les cellules solaires.

De plus, la vaste gamme de fonctions et de modes de fonctionnement (par exemple, « toujours actif » pour l'écoute et « veille » pour la réponse rapide au stimulus d'entrée) nécessite une sélection rigoureuse des alimentations internes associées. Le but est d'optimiser le rendement, de maintenir une taille physique compacte et d'optimiser la densité de puissance pour l'application sans compromettre les performances ni nécessiter de gestion thermique étendue, cette dernière pouvant augmenter la taille, le poids et le coût. Il faut également prendre en compte la sécurité des utilisateurs, qui ne peut être compromise.

Cet article décrit les différents types d'alimentations utilisées dans les dispositifs IoT et examine quelques exemples de RECOM Power conçus pour répondre à ces exigences.

Alimentations secteur

Les dispositifs IoT ou IIoT qui utilisent une alimentation secteur ont moins de restrictions d'alimentation que les dispositifs portables. L'alimentation secteur fournit généralement des tensions d'entrée fixes avec des niveaux de courant adéquats. D'autres sources d'alimentation, comme les cellules solaires, peuvent avoir d'importantes variations de niveaux de tension et de courant en fonction de la lumière reçue et du degré de régulation de tension incorporé. Les dispositifs IoT ou IIoT doivent avoir des exigences de puissance d'entrée flexibles pour gérer les éventuelles variations de puissance d'entrée.

Un fabricant d'alimentations, RECOM Power, a conçu une gamme d'alimentations ultracompactes de 5 W entièrement encapsulées (les modules CA/CC de la série RAC05-K) pour répondre aux besoins de flexibilité de tension d'entrée des applications IoT ou IIoT.

Ces modules d'alimentation fonctionnent avec une tension d'entrée de 85 VCA à 264 VCA (47 Hz à 63 Hz) ou de 120 VCC à 370 VCC. Cette plage de tensions d'entrée de ligne quasi universelle les rend adaptés à une utilisation dans le monde entier, dans des environnements domestiques ou industriels. À cela s'ajoute la plage de températures de fonctionnement de ces alimentations : la série RAC05-K est répertoriée pour produire une pleine puissance à des températures de -25°C à +50°C et avec une puissance de sortie déclassée de +50°C à +70°C.

Les modèles individuels de la série ont une tension de sortie fixe de 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V ou 24 V. Le RAC05-05SK 5 V a une empreinte de 25,4 mm x 25,4 mm sur la carte à circuit imprimé, avec une hauteur de 16,5 mm. Avec sa puissance de sortie de 5 W, ce module d'alimentation a une densité de puissance respectable de 7,7 W par pouce cube (Figure 1).

Figure 1 : Le module d'alimentation RAC05-05SK de RECOM offre 5 W dans un boîtier de 25,4 mm x 25,4 mm x 16,5 mm avec une densité de puissance volumétrique de 7,7 W par pouce cube. (Source de l'image : RECOM Power)

Ces alimentations affichent des rendements supérieurs à 80 % et une consommation énergétique à vide de seulement 75 mW. Grâce à cette combinaison, ils conviennent aux dispositifs IoT/IIoT « toujours actifs » où un haut rendement et une faible perte d'énergie interne aident à éviter la surchauffe des dispositifs.

Du point de vue de la sécurité, la série RAC05-K inclut une protection intégrée contre la fusion, la surtension et les courts-circuits. Les modules sont conformes aux normes de sécurité CEI60950-1 et UL62368-1 ainsi qu'aux normes EMC EN55032 classe B sans aucun composant externe.

Grâce à une plage de tensions d'entrée étendue, à un format compact, à une attention à la sécurité et à une vaste plage de températures de fonctionnement, ces alimentations sont idéales pour de nombreuses applications IoT ou IIoT alimentées par ligne électrique.

Alimentations de classe industrielle

Les environnements industriels nécessitent souvent des alimentations spéciales en raison des conditions environnementales dans lesquelles ces dispositifs doivent fonctionner. Les convertisseurs CC/CC série R1SX de RECOM en font partie. Ils présentent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +100°C sans détarage. Cette plage de températures prend en charge en toute sécurité la plupart des conditions industrielles. Le R1SX-3.305-R est un exemple de dispositif de cette série. Il s'agit d'un convertisseur CC/CC élévateur de 1 W acceptant une entrée de 3,3 V et l'élevant en une sortie de 5 V.

Ces convertisseurs sont également isolés CC à 1 kV/s avec une valeur nominale de 3 kV/s disponible en option. L'isolement est important dans le monde industriel où les boucles de masse et le bruit électrique sont très fréquents. L'isolement de l'entrée et de la sortie permet de rompre ces boucles de masse et de réduire la propagation du bruit. Le convertisseur CC/CC R1SX-3.3-5 peut être utilisé pour prendre en charge des interfaces de données isolées avec décalage du niveau (Figure 2).

Figure 2 : Le maintien de l'isolement dans une interface de données nécessite non seulement un isolateur numérique, mais aussi des alimentations isolées. Ce circuit utilise 3,3 V du côté primaire de l'isolateur et 5 V du côté secondaire pour réaliser un décalage du niveau logique tout en conservant l'isolation galvanique. (Source de l'image : RECOM Power)

Alimentations CC/CC pour dispositifs portables

Les dispositifs portables IoT ou IIoT alimentés par batterie requièrent un format compact et une faible perte de puissance. Le but est d'étendre la durée de vie de la batterie au maximum afin de réduire les temps d'arrêt imprévus et la main-d'œuvre requise pour remplacer la batterie dans un grand nombre de dispositifs. Les fonctionnalités clés de ces conceptions incluent la possibilité de mettre les alimentations dans un état de repos ou de veille lorsqu'elles ne sont pas nécessaires, un haut rendement et une plage de tensions d'entrée étendue pour tenir compte de la baisse de la tension de la batterie en fin de vie.

La série R-78S de RECOM est un exemple de convertisseurs CC/CC dont les spécifications correspondent aux exigences des dispositifs IoT portables. Un dispositif de la série, le R-78S3.3-0.1, est conçu pour produire 3,3 V à partir d'une pile AA de 1,5 V. La série inclut également des dispositifs avec des niveaux de tension de sortie de 1,8 V, 3,3 V et 3,6 V destinés à alimenter une grande variété de microprocesseurs et de contrôleurs à partir de batteries à une seule cellule. Tous les dispositifs fonctionnent sur une plage de tensions d'entrée de 3,15 V à 0,65 V, ce qui permet d'utiliser le dernier milliwatt de puissance de la batterie. Ce convertisseur de puissance a un rendement typique élevé de 93 %, réduisant ainsi les pertes de puissance. Il peut être mis en veille et ne consomme alors que 7 µA. Combinant un haut rendement, un mode veille et une plage étendue de tensions d'entrée, ce convertisseur de puissance est idéal pour les dispositifs IoT sans fil portables (Figure 3).

Figure 3 : Exemple illustrant l'utilisation du mode d'arrêt pour étendre l'autonomie de la batterie dans une application sans fil. Une cellule AA de 2100 mAh peut fournir 7 µA pendant plusieurs dizaines d'années. (Source de l'image : RECOM Power, modifiée par Art Pini)

La série R-78S offre également une plage de températures de fonctionnement étendue de -40°C à +100°C, ce qui est utile pour un dispositif portable qui peut être laissé dans un véhicule dans des conditions météorologiques extrêmes.

L'exemple de la Figure 3 montre l'utilisation du mode veille, pendant lequel le système ne consomme que 20 µW. Dans ce mode, la tension du condensateur (tracé bleu) diminue au fil du temps, de sa valeur complètement chargée de 3,3 V jusqu'à un seuil défini par les résistances R1 et R2, moment auquel le microprocesseur transmet un signal d'activation au convertisseur. Le système ne consomme que 200 µA lorsque le convertisseur fonctionne en mode actif, période pendant laquelle le condensateur est rechargé pour le cycle suivant. La consommation énergétique est proportionnelle au rapport cyclique du mode actif/veille.

La faible tenue en tension d'entrée des convertisseurs R-78S de RECOM est une caractéristique exceptionnelle pour les applications de récupération d'énergie IoT ou IIoT. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour augmenter la sortie de sources basse tension comme les cellules solaires ou les générateurs thermoélectriques (TEG) afin de charger une cellule rechargeable de 3,3 V (Figure 4).

Figure 4 : Le schéma montre l'utilisation du R-78S3.6-0.1 comme convertisseur élévateur. Il augmente l'entrée basse tension d'une cellule solaire ou d'un générateur thermoélectrique à 3,6 V pour charger une cellule rechargeable de 3,3 V via une diode. La charge peut commencer avec des tensions d'entrée de seulement 0,65 V. (Source de l'image : RECOM Power)

La tension de sortie plus élevée (3,6 V contre 3,3 V) est nécessaire pour charger la cellule via la diode. La diode empêche la batterie complètement chargée de commander la sortie du convertisseur. Ces convertisseurs sont également protégés contre les courts-circuits et les surchauffes pour assurer la fiabilité de leur fonctionnement.

Circuits de conception de référence et cartes d'évaluation utilisant le R-78S3.3-0.1

Les conceptions de référence sont utiles pour déterminer si un composant répond aux besoins de conception. Dans le cas des convertisseurs CC/CC de la série R-78S, elles offrent un outil pratique pour évaluer le dispositif (Figure 5).

Figure 5 : La conception de référence pour les convertisseurs CC/CC série R-78S de RECOM montre la taille compacte du dispositif par rapport à une pile AA standard. Cette carte à circuit imprimé de conception de référence peut être intégrée dans des prototypes. (Source de l'image : RECOM Power, modifiée par Art Pini)

La conception de référence R-REF02-78S de RECOM est disponible sous forme de carte à circuit imprimé équipée avec des embases simples de 2,54 mm et des orifices de montage pour faciliter l'intégration aux prototypes d'évaluation. La broche d'activation du convertisseur est reliée à une embase pour évaluer le mode veille du convertisseur.

Pour des tests de dispositifs plus rigoureux, RECOM propose également la carte d'évaluation R-78S3.3-0.1-EVM-1, dont le nombre de nœuds reliés aux embases est supérieur à la conception de référence (Figure 6).

Figure 6 : Le schéma de la carte d'évaluation R-78S3.3-0.1-EVM-1 de RECOM montre la sélection plus complète des points de test disponibles et un port USB pour la communication avec le dispositif si nécessaire. (Source de l'image : RECOM Power)

La carte d'évaluation inclut tous les éléments de la conception de référence, mais augmente l'accès aux connexions d'entrée et de sortie du convertisseur. Les raccordements et embases supplémentaires permettent de réaliser diverses mesures et de déterminer les paramètres du dispositif. Un port USB est inclus pour alimenter des circuits de démonstration externes.

Conclusion

L'alimentation des applications IoT et IIoT peut être fournie de différentes manières, notamment grâce à une alimentation secteur, à des batteries ou via la récupération d'énergie. L'application détermine dans une certaine mesure les exigences liées à la source d'alimentation. Les concepteurs ont besoin de dispositifs d'alimentation polyvalents pour s'assurer que leurs conceptions puissent faire face aux nombreux scénarios opérationnels possibles. Avec leur plage d'entrée étendue, leur haut rendement, leur taille compacte et leurs modes de repos et de veille, les dispositifs de conversion de puissance de RECOM décrits ci-dessus constituent des sources d'énergie de choix pour les produits IoT et IIoT.