Una guida alla selezione e all'utilizzo delle fonti di alimentazione per IoT e IIoT

Per quanto i dispositivi progettati per Internet delle cose (IoT) e Internet delle cose industriale (IIoT) possano essere diversi, tutti richiedono una fonte di alimentazione primaria per l'immissione, l'elaborazione e la comunicazione dei dati. Tuttavia, la diversa natura delle funzioni e degli ambienti dei dispositivi IoT ha portato a una grande varietà di fonti di alimentazione primaria, che vanno dalle linee elettriche alle batterie e alle celle solari.

Inoltre, l'ampia gamma di funzioni e modalità operative come "sempre attivo" per l'ascolto e "standby" per una risposta rapida agli stimoli in entrata, richiede un'attenta selezione delle loro alimentazioni interne. L'obiettivo è quello di massimizzare l'efficienza, contenere le dimensioni fisiche e portare al limite massimo la densità di potenza per l'applicazione senza compromettere le prestazioni o richiedere una gestione termica complessa che potrebbe aumentare le dimensioni, il peso e il costo. Un'altra considerazione è la sicurezza dell'utente, che non deve essere compromessa.

Questo articolo illustra i vari tipi di alimentazione utilizzati nei dispositivi IoT e presenta alcuni esempi di RECOM Power progettati per soddisfare questi requisiti.

Alimentazione basata sulla linea

I dispositivi IoT o IIoT che utilizzano l'alimentazione di linea hanno meno restrizioni di potenza rispetto ai dispositivi portatili. L'alimentazione di linea fornisce in genere tensioni di ingresso fisse con livelli di corrente adeguati. Altre fonti di alimentazione, come le celle solari, possono essere soggette a grandi variazioni nei livelli di tensione e di corrente a seconda della loro illuminazione e del grado di regolazione della tensione incorporata. I dispositivi IoT o IIoT devono avere requisiti di potenza in ingresso flessibili per gestire le possibili variazioni.

Un produttore di alimentatori, RECOM Power, ha progettato una famiglia di alimentatori da 5 W ultracompatti e completamente incapsulati - moduli c.a./c.c. della serie RAC05-K - per soddisfare le esigenze di flessibilità della tensione di ingresso delle applicazioni IoT o IIoT.

Questi moduli funzionano con una tensione di ingresso da 85 a 264 V c.a. (da 47 a 63 Hz) o da 120 a 370 V c.c. Grazie a questo intervallo della tensione di ingresso di linea quasi universale, possono essere usati in tutto il mondo in ambienti domestici o industriali. Il loro intervallo della temperatura di funzionamento ne è un'ulteriore dimostrazione: la serie RAC05-K è classificata per produrre la massima potenza a temperature da -25 °C a +50 °C e con potenza in uscita declassata da +50 °C a +70 °C.

I singoli modelli della serie hanno una tensione di uscita fissa di 3,3, 5, 12, 15 o 24 V. RAC05-05SK da 5 V ha un ingombro di 25,4 x 25,4 mm sulla scheda e un'altezza di 16,5 mm. Con i suoi 5 W di potenza nominale, questo modulo ha una densità di potenza di tutto rispetto di 0,47 W/cm3 (Figura 1).

Figura 1: Il modulo di alimentazione RAC05-05SK di RECOM ha una potenza di 5 W in un contenitore di 25,4 x 25,4 x 16,5 mm con una densità di potenza volumetrica di 0,47 W/cm3. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Questi alimentatori hanno un'efficienza superiore all'80% e un assorbimento di potenza in assenza di carico di soli 75 mW. Grazie a questa combinazione sono idonei per dispositivi IoT/IIoT "sempre attivi" in cui l'alta efficienza e la bassa perdita di energia interna contribuiscono a evitarne il surriscaldamento.

Dal punto di vista della sicurezza, la serie RAC05-K comprende fusibili integrati, protezione da sovratensioni e cortocircuiti. Sono conformi agli standard di sicurezza IEC60950-1 e UL62368-1 e soddisfano i limiti EMC EN55032 di Classe B senza componenti esterni.

L'ampio intervallo della tensione di ingresso, dimensioni ridotte, attenzione alla sicurezza e l'ampio intervallo della temperatura di funzionamento fanno di questi alimentatori dei prodotti ideali per molte applicazioni IoT o IIoT alimentate dalla linea.

Alimentatori per uso industriale

A causa delle condizioni ambientali in cui questi dispositivi devono operare, gli ambienti industriali spesso richiedono alimentatori speciali. Una di queste linee di alimentatori è rappresentata dai convertitori c.c./c.c. serie R1SX di RECOM, che hanno un intervallo della temperatura di funzionamento tra -40 °C e +100 °C senza declassamento. Questo intervallo è in grado di gestire in sicurezza la maggior parte delle condizioni industriali. Uno dei dispositivi della serie è il convertitore c.c./c.c. R1SX-3.305-R con una potenza di 1 W, che accetta un ingresso di 3,3 V e lo porta fino a 5 V in uscita.

Questi convertitori sono anche isolati in c.c. fino a 1 kV/1 secondo con una capacità nominale opzionale di 3 kV/1 s. Nel mondo industriale, dove i circuiti di massa e il rumore elettrico sono molto comuni, l'isolamento è importante. Avere l'ingresso e l'uscita isolati aiuta a rompere questi circuiti di massa e a ridurre al minimo la propagazione del rumore elettronico. Il convertitore c.c./c.c. R1SX-3.3-5 può essere impiegato per supportare interfacce dati isolate con commutazione di livello (Figura 2).

Figura 2: Per mantenere l'isolamento in un'interfaccia dati un isolatore digitale non è sufficiente, servono anche alimentatori isolati. Questo circuito utilizza 3,3 V sul lato primario dell'isolatore e 5 V su quello secondario per ottenere una commutazione di livello logico mantenendo l'isolamento galvanico. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Alimentatori c.c./c.c. per dispositivi portatili

I dispositivi portatili IoT o IIoT alimentati a batteria richiedono dimensioni ridotte e bassa perdita di potenza. L'obiettivo è quello di estende il più possibile la durata delle batterie per ridurre i tempi di inattività imprevisti e la manodopera necessaria per sostituirle in un gran numero di dispositivi. Le caratteristiche principali di questi progetti sono la possibilità di mettere gli alimentatori in stato di quiescenza o di standby quando non sono necessari, l'alta efficienza e un ampio intervallo della tensione di ingresso per tenere conto del calo di tensione della batteria quando è vicina al termine della sua vita utile.

Un esempio di convertitori c.c./c.c. con specifiche rispondenti ai requisiti IoT dei dispositivi portatili è la serie R-78S di RECOM. Un dispositivo della serie, R-78S3.3-0.1, è progettato per produrre 3,3 V da una batteria AA da 1,5 V. La serie comprende anche dispositivi con livelli di tensione di uscita di 1,8, 3,3, e 3,6 V destinati ad alimentare diversi tipi di microprocessori e controller con batterie a cella singola. Tutti i dispositivi funzionano su un intervallo della tensione di ingresso da 3,15 V fino a 0,65 V, il che consente di sfruttare fino all'ultimo milliwatt di potenza della batteria. Questo convertitore di potenza ha un'efficienza di ben il 93%, che riduce al minimo la perdita di potenza. Può essere messo in standby, in cui assorbe solo 7 µA. Data la sua alta efficienza, la modalità standby e l'ampio intervallo della tensione di ingresso, questo convertitore di potenza è ideale per dispositivi IoT wireless portatili (Figura 3).

Figura 3: Un esempio che illustra l'uso della modalità di spegnimento per estendere la durata della batteria in un'applicazione wireless. Una cella AA da 2100 mAh può alimentare 7 µA per diversi decenni. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power, modificata da Art Pini)

La serie R-78S dispone anche di un ampio intervallo di funzionamento da -40 °C a +100 °C, utile per un dispositivo portatile che può essere lasciato in un veicolo in condizioni climatiche estreme.

L'esempio nella Figura 3 mostra l'uso della modalità standby o di sospensione, durante la quale il sistema consuma solo 20 µW. In questa modalità, come indicato dalla traccia blu, la tensione del condensatore nel tempo scende dai 3,3 V a piena carica fino a una soglia impostata dai resistori R1 e R2, raggiunta la quale il microprocessore segnala al convertitore di riattivarsi. Il sistema consuma solo 200 µA quando il convertitore funziona in modo attivo, durante il quale il condensatore viene ricaricato per il ciclo successivo. Il consumo energetico sarà proporzionale al ciclo di lavoro in modalità attiva/di sospensione.

La capacità di bassa tensione di ingresso dei convertitori R-78S di RECOM è una caratteristica eccezionale per le applicazioni di energy harvesting IoT o IIoT. Ad esempio, possono essere utilizzati per aumentare la potenza di sorgenti a bassa tensione come le celle solari o i generatori termoelettrici (TEG) per caricare una cella ricaricabile da 3,3 V (Figura 4).

Figura 4: Lo schema mostra l'uso di R-78S3.6-0.1 come convertitore boost, prendendo una bassa tensione di ingresso da una cella solare o da un TEG e portandola a 3,6 V per caricare una cella ricaricabile da 3,3 V attraverso un diodo. La carica può iniziare con tensioni di ingresso anche di soli 0,65 V. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Per caricare la cella attraverso il diodo serve una tensione di uscita più alta (3,6 V invece di 3,3 V). Il diodo impedisce alla batteria completamente carica di pilotare l'uscita del convertitore. Per funzionare in modo affidabile, questi convertitori sono anche protetti contro i cortocircuiti e le sovratemperature.

Circuiti di progettazione di riferimento e schede di valutazione che utilizzano R-78S3.3-0.1

I progetti di riferimento sono utili per stabilire se un componente soddisfa le esigenze di progettazione. Nel caso dei convertitori c.c./c.c. della serie R-78S, offrono uno strumento pratico per la valutazione del dispositivo (Figura 5).

Figura 5: Il progetto di riferimento per i convertitori c.c./c.c. della serie R-78S di RECOM mostra le piccole dimensioni del dispositivo rispetto a una batteria AA standard. Questa scheda del progetto di riferimento può essere incorporata nei prototipi. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power, modificata da Art Pini)

Il progetto di riferimento R-REF02-78S di RECOM è disponibile come scheda popolata con semplici basette da 2,54 mm e fori di montaggio per il facile inserimento nei prototipi di valutazione. Il pin di abilitazione del convertitore viene portato in una basetta per la valutazione della modalità di sospensione del convertitore.

Per test più rigorosi, RECOM offre anche una scheda di valutazione, R-78S3.3-0.1-EVM-1, che ha più nodi di test che vengono portati alle basette rispetto al progetto di riferimento (Figura 6).

Figura 6: Lo schema della scheda di valutazione R-78SS.3-0.1-EVM-1 di RECOM mostra la selezione più completa dei punti di test disponibili e una porta USB per la comunicazione con il dispositivo, se lo si desidera. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

La scheda di valutazione include tutti gli elementi del progetto di riferimento, ma aumenta l'accesso alle connessioni di ingresso e di uscita del convertitore. I ponticelli e le basette supplementari sono destinati a permettere varie misurazioni e per stabilire i parametri del dispositivo. È inclusa una porta USB per consentire l'alimentazione di circuiti dimostrativi fuori scheda.

Conclusione

L'alimentazione per le applicazioni IoT e IIoT può essere fornita in diversi modi, tra cui tramite la linea, batterie o l'energy harvesting. I requisiti della fonte di alimentazione sono dettati, fino a un certo punto, dall'applicazione. Ai progettisti servono dispositivi di alimentazione versatili per garantire che i progetti possano far fronte alla grande diversità degli scenari operativi. Grazie al loro ampio intervallo di ingresso, all'alta efficienza, alle dimensioni ridotte e alle modalità standby quiescenti, i dispositivi di conversione di potenza di RECOM illustrati sopra sono candidati ideali come fonti di energia per i prodotti IoT e IIoT.