Tämä artikkeli käsittelee IoT-sovellusten akkutekniikoita. Kuvailemme joitakin ongelmia, joita suunnittelijat kohtaavat tehonsyötön toteuttamisessa sekä esittelemme Analog Devicesin niihin tarjoamia ratkaisuja. Kuvatut ratkaisut ovat erittäin energiatehokkaita ja voivat auttaa vähentämään IoT- laitteiden muita ongelmia kuten liiallista kokoa, painoa ja lämpötilaa.

IoT-laitteiden lisääntyvä käyttö teollisuudessa, kotiautomaatiossa ja lääketieteellisissä sovelluksissa lisää tarvetta optimoida näiden laitteiden tehonhallintaa. Tämä tarkoittaa joko entistä pienempää kokoa. parempaa hyötysuhdetta, vähäisempää tehonkulutusta tai nopeampia latausaikoja (kannettaville IoT-laitteille). Kaikki tämä on saavutettava hyvin pienessä koossa, joka ei kuitenkaan saa vaikuttaa negatiivisesti termiseen tehokkuuteen eikä häiritä laitteiden ylläpitämää langatonta viestintää.

Mitä on IoT?

Tämä esineiden internetiksi kutsuttu erityinen sovellusalue ilmenee monissa eri muodoissa. Termillä viitataan yleensä älykkääseen, tietoverkkoon liitettyyn elektroniseen laitteeseen, joka usein toimii akkuvirralla ja lähettää esilaskettua dataa pilvipohjaiseen infrastruktuuriin.

IoT-laitteissa hyödynnetään sulautettuja järjestelmiä kuten prosessoreita, tietoliikennepiirejä ja antureita tietojen keräämiseen, niihin vastaamiseen ja niiden lähettämiseen takaisin verkon keskukseen tai muuhun solmupisteeseen. Kyseessä voi olla miltei mitä tahansa alkaen yksinkertaisesta lämpötila-anturista, joka raportoi pelkän huoneenlämpötilan keskusvalvomoon, aina koneen kuntoa monipuolisesti valvovaan järjestelmään, joka seuraa erittäin kalliiden tehdaslaitteiden pitkäaikaista toimintakuntoa.

Pohjimmiltaan näitä laitteita kehitetään ratkaisemaan tietty haaste, olipa kyseessä sitten ihmisen väliintuloa tyypillisesti vaativien tehtävien automatisointi (kuten koti- tai rakennusautomaatio) tai kenties tarve parantaa laitteiden käytettävyyttä ja pitkäikäisyyttä teollisissa IoT-sovelluksissa. Tai jopa turvallisuuden parantaminen vaikkapa ympäristön tarkkailuun perustuvissa rakenteiden valvontasovelluksissa esimerkiksi silloissa.

Sovellusesimerkkejä

IoT-laitteiden mahdolliset sovellusalueet ovat lähes loputtomat, sillä uusia laitteita ja käyttökohteita kehitetään päivittäin. Lähettimeen perustuvat älykkäät sovellukset keräävät tietoja omasta ympäristöstään tehdäkseen päätöksiä lämmönhallinnasta, hälytyksistä tai tiettyjen tehtävien automatisoinnista. Lisäksi kannettavat laitteet, kuten kaasumittarit ja ilmanlaadun mittausjärjestelmät, antavat mahdollisuuden tarkkojen mittausten välittämiseen pilven kautta valvontakeskukseen.

Myös GPS-seuranta on yksi mahdollinen sovellusalue. Laitteiden avulla voidaan seurata kuljetuskontteja ja valvoa vaikkapa karjankuljetuksia lehmien kantamien älykkäiden korvamerkkien avulla. Nämä esimerkit kattavat vain pienen osan pilveen kytkettävistä laitteista. Muita vastaavia alueita ovat esimerkiksi terveydenhoidon puettavat laitteet ja infrastruktuurin erilaiset anturisovellukset.

Merkittävän kasvualueen muodostavat teolliset IoT-sovellukset. Ne ovat osa neljättä teollista vallankumousta, jonka keskiössä ovat älykkäät tehtaat. Tarjolla on laaja valikoima IoT-sovelluksia, jotka viime kädessä automatisoivat mahdollisimman suuren osan tehtaasta käyttämällä automaattisesti ohjattuja ajoneuvoja (AGV) ja älykkäitä antureita kuten RF-tunnisteita, painemittareita tai muita tehtaan eri osiin sijoitettuja ympäristöantureita.

Analog Devicesin näkökulmasta korkeatasoinen IoT on painottunut viidelle pääalueelle:

• Älykäs terveydenhoito – tukee elintoimintojen seurantasovelluksia sekä kliinisellä tasolla että kuluttajasovelluksissa.
• Älykkäät tehtaat – keskiössä Teollisuus 4.0 -konsepti, joka tekee tehtaiden toiminnoista reagoivampia, joustavampia ja kevyempiä.
• Älykkäät rakennukset/kaupungit – käyttävät älykästä tunnistusta rakennusten turvaamiseen, pysäköintipaikkojen käyttöasteen seurantaan sekä lämmön- ja sähkönjakelun ohjaukseen.
• Älykäs maatalous – käyttää saatavilla olevaa teknologiaa automatisoidun

viljelyn ja resurssienkäytön tehostamiseen.

• Älykäs infrastruktuuri – perustuu kunnonvalvontateknologiaan liikkuvien kohteiden ja erilaisten rakenteiden toimintakunnon seuraamiseksi.

Lisätietoja näistä painopistealueista ja niitä tukevista tekniikoista on saatavissa osoitteesta analog.com/IoT.

IoT-suunnittelun haasteet

Mitkä sitten ovat merkittävimmät suunnittelijoiden kohtaamat haasteet jatkuvasti kasvavassa IoT-sovellusten maailmassa? Suurin osa näistä laitteista tai solmuista asennetaan jälkikäteen tai vaikeapääsyisille alueille, joten sähkön saaminen niihin ei ole mahdollista. Tämä tietysti tarkoittaa, että ne ovat täysin riippuvaisia akuista ja/tai energian keräämisestä tehonsyöttöä varten.

Tehon siirtäminen suurissa tiloissa voi tulla melko kalliiksi. Ajatellaan vaikka IoT- etäsolmun tehonsyötön kytkemistä tehdasalueella. Kokonaan uuden sähkökaapelin asentaminen laitteen tehonsyöttöön on kallis ja aikaavievä ratkaisu. Käytännössä tämä jättää akkusyötön tai energian keräämisen ympäristöstä ainoaksi vaihtoehdoksi tällaisten etäsolmujen tehonsyöttöön.

Pelkkään akkuvirtaan luottaminen vaatii kuitenkin tiukan tehobudjetin noudattamista varmistamaan, että akun käyttöikä saadaan maksimoiduksi, mikä tietysti vaikuttaa laiteinvestoinnin kokonaiskustannuksiin. Toinen haittapuoli on akun vaihtotarve käyttöiän päätyttyä. Itse akun hinnan lisäksi on laskettava mukaan myös vanhan akun vaihtamisen ja mahdollisen hävittämisen aiheuttamat korkeat kustannukset.

Lisähuomiona akun kustannuksiin ja kokoon: helppo ratkaisu olisi vain suunnitella akku ylikokoiseksi niin, että kapasiteettia riittää koko käyttöiäksi, joka usein on yli 10 vuotta. Ylisuunnittelu kuitenkin johtaa lisäkustannuksiin ja suurempaan fyysiseen kokoon. Tehobudjetin optimoinnin lisäksi onkin erittäin tärkeää myös minimoida energiankulutus aina mahdollisuuksien mukaan, jotta laitteeseen voidaan asentaa pienin mahdollinen akku, joka silti täyttää kohteen asettamat vaatimukset.

IoT:n tehonsyöttö

Tämän tehopohdiskelun kannalta IoT- sovellusten teholähteet voidaan jakaa kolmeen kategoriaan:

• Laitteet, jotka käyttävät ei-ladattavan akun tehoa (primääriparistoa)
• Laitteet, jotka käyttävät ladattavia akkuja
• Laitteet, jotka käyttävät energiankeruuta järjestelmän syöttötehon tuottamiseen

Näitä teholähteitä voidaan käyttää erikseen tai yhdistelminä sovelluksen asettamien vaatimusten mukaisesti.

Primääriparistosovellukset

Kaikki varmaan tuntevat erilaisia primääriparistoa hyödyntäviä sovelluksia, jotka siis käyttävät ei-ladattavia akkuja. Nämä laitteet on suunniteltu sovelluksiin, joissa virtaa käytetään vain satunnaisesti. Toisin sanoen laitteeseen kytketään virta vain ajoittain ennen kuin se palaa syvään lepotilaan, jossa se kuluttaa vain vähän energiaa. Tällaisen teholähteen käyttämisen tärkein etu on, että se tarjoaa korkean energiatiheyden ja yksinkertaisen rakenteen, koska mukaan ei tarvita akun lataus/ hallintapiirejä.

Lisäetuja ovat alhaisemmat kustannukset, koska paristot ovat halvempia ja vaativat vähemmän elektroniikkaa. Ne sopivat mainiosti edullisiin vähävirtaisiin sovelluksiin, mutta koska tällaisten paristojen käyttöikä on rajallinen, ne eivät sovellu kohteisiin, joissa virrankulutus on vähänkään suurempi, sillä kustannuksia syntyy itse akun lisäksi myös sen vaihtamiseen tarvittavasta huoltotyöstä.

Ajatellaan vaikka laajaa IoT-asennusta, johon kuuluu lukuisia solmuja. Kun huoltoteknikko on jo paikan päällä vaihtamassa akkua yhteen laitteeseen, hyvin usein vaihdetaan kaikkien paristot samalla kertaa työvoimakustannusten säästämiseksi. Tämä on tietysti tuhlausta ja vain pahentaa maailmanlaajuista jäteongelmaa. Lisäksi ei- ladattavat paristot tarjoavat käyttäjälle vain noin 2% niiden valmistukseen käytetystä energiasta, joten 98 prosentin energiahukka tekee niistä erittäin epätaloudellisen energialähteen.

On selvää, että paristoillakin on silti paikkansa IoT-pohjaisissa sovelluksissa. Paristojen suhteellisen alhaiset alkukustannukset tekevät niistä ihanteellisia pienitehoisiin sovelluksiin. Saatavissa on runsaasti eri tyyppejä ja kokoja. Ja koska ne eivät juuri vaadi ylimääräistä elektroniikkaa lataamiseen tai hallintaan, ne tarjoavat rakenteeltaan yksinkertaisen ratkaisun.

Suunnittelun näkökulmasta tärkein haaste on hyödyntää mahdollisimman hyvin näistä pienistä teholähteistä saatava energia. Sitä varten tarvitaan riittävästi aikaa tehobudjetin suunnitteluun, jotta voidaan varmistaa, että pariston käyttöikä on maksimoitu. Yleinen elinikätavoite on 10 vuotta.

Primääriparistoon perustuvissa sovelluksissa kannattaa harkita kahta komponenttia ADI:n nanoteholuokan tuoteperheestä: nanoluokan coulomb-laskuri LTC3337 ja buck-muunnin LTC3336, jotka nähdään kuvassa alla.

LTC3336 on pienitehoinen DC-DC-muunnin, joka voi toimia 15 voltin tulojännitteeseen asti ja jonka huippulähtövirta on ohjelmoitavissa. Tulojännite saa laskea jopa 2,5 volttiin, mikä tekee piiristä ihanteellisen akkukäyttöisissä sovelluksissa.

Piirin lepovirta on poikkeuksellisen alhainen, vain 65 nanoampeeria, kun regulointi tapahtuu ilman kuormaa. Jos DC-DC-muunnin tulee kysymykseen sovelluksessa, tämä piiri on melko helppo ottaa käyttöön ja hyödyntää uuden laitteen suunnittelussa. Lähtöjännite ohjelmoidaan nastojen OUT0 – OUT3 kytkennällä.

Muuntimen parina oleva LTC3337 on pariston toimintakuntoa valvova nanoteholuokan piiri, joka sisältää coulomb- laskurin. Tämäkin on helppokäyttöinen piiri uusien laitteiden suunnittelussa. Tarvitaan vain IPK-nastojen langoitus halutun huippuvirran perusteella 5 – 100 milliampeerin väliltä. Lisäksi on tehtävä pari laskutoimitusta valitun paristotyypin perusteella sekä valittava lähtökapasitanssin suuruus halutun huippuvirran mukaisesti. Nämä arvot saadaan piirin datalehdestä.

Loppujen lopuksi tämä on erinomainen piirikaksikko rajallisen tehobudjetin IoT- sovelluksiin. Piirit voivat sekä valvoa tarkasti primääripariston energiankäyttöä että muuntaa lähtöjännitteen hyvällä hyötysuhteella järjestelmän käyttöjännitteeksi.

Ladattavien akkujen sovellukset

Siirrytään seuraavaksi ladattavien akkujen käyttämiseen. Tämä ratkaisu on hyvä valinta tehokkaampiin tai enemmän virtaa vaativiin IoT-sovelluksiin, joissa primääripariston vaatima tiuha vaihtotahti ei tule kysymykseen. Ladattavaa akkua hyödyntävä sovellus on kalliimpi toteuttaa akkujen ja latauspiirien alkukustannusten vuoksi, mutta korkeamman kulutuksen sovelluksissa, joissa akkuja tyhjennetään ja ladataan usein, korkeampi lähtöhinta on perusteltu ja tulee maksetuksi nopeasti takaisin.

Käytettävästä akkukemiasta riippuen ladattavalla akkusovelluksella voi olla alhaisempi alkuenergia kuin primääriparistolla, mutta pidemmällä aikavälillä se on energiatehokkaampi vaihtoehto ja kaiken kaikkiaan vähemmän tuhlaava. Tehontarpeesta riippuen vaihtoehtona voi olla energian varastoiminen kondensaattoriin tai superkondensaattoriin, mutta yleensä ne ovat enemmän käytössä lyhytaikaisina varmuusvarastoina.

Akun lataaminen sisältää useita eri tiloja ja erityisiä latausprofiileja käytettävästä akkukemiasta riippuen. Kun akku on täysin tyhjentynyt, laturin on oltava riittävän älykäs asettaakseen sen esilataustilaan ja nostaakseen akun jännitteen hitaasti turvalliselle tasolle ennen vakiovirtatilaan siirtymistä.

Vakiovirtatilassa laturi syöttää ohjelmoitua virtamäärää akkuun, kunnes jännite nousee ohjelmoidulle maksimitasolle (float voltage).

Sekä ohjelmoitu virta että jännite määräytyvät akun tyypin mukaan. Latausvirtaa rajoittavat akulle suositeltu C- lukema ja haluttu latausaika. Jännitteen maksimitaso perustuu siihen, mikä on turvallista akulle. Järjestelmien suunnittelijat voivat alentaa jännitteen maksimitasoa hieman pidentääkseen akun käyttöikää, jos järjestelmä niin vaatii. Tässäkin on kyse kompromisseista, kuten tehonkäsittelyssä yleensäkin.

Kun sallittu maksimijännite on saavutettu, nähdään, että latausvirta putoaa nollaan ja maksimijännite säilyy jonkin aikaa lopetusalgoritmin mukaisesti.

Alaolevassa kuvassa nähdään toisenlainen kuvaaja 3- kennoisen akkusovelluksen toiminnasta ajan funktiona. Akun jännite on piirretty punaisella ja latausvirta sinisellä. Lataus alkaa 2 A vakiovirralla, kunnes akun jännite saavuttaa 12,6 voltin vakiotason. Laturi ylläpitää tätä jännitettä lopetusajastimen määrittämän ajan. Tässä tapauksessa aikaikkuna on 4 tuntia. Tämä aika on ohjelmoitavissa useissa latauspiireissä.

Lisätietoja akun lataamisesta ja siihen liittyvistä mielenkiintoisista tuotteista on tarjolla Analog Dialogue -sivuston artikkelissa ”Simple Battery Charger ICs for Any Chemistry”.

Alla nähdään puolestaan hieno esimerkki monipuolisesta buck-akkulaturista. Muunninpiiri LTC4162 voi syöttää latausvirtaa aina 3,2 ampeeriin asti ja se sopii useisiin sovelluksiin. Näitä ovat esimerkiksi kannettavat instrumentit ja sovellukset, jotka vaativat kapasiteetiltaan suurempia tai monikennoisia akkuja. Piiriä voi käyttää lataukseen myös aurinkokennoista.

Energiankeruusovellukset

Kun työskennellään IoT-sovellusten ja niiden teholähteiden parissa, yksi vaihtoehto on harkita energian keräämistä ympäristöstä. Tietysti järjestelmän suunnittelijoilla on monenlaisia näkökohtia, mutta ilmaisen energian houkuttelevuutta ei voi aliarvioida. Näin on varsinkin sovelluksissa, joiden tehovaatimukset eivät ole liian kriittisiä ja joiden ylläpidon pitää onnistua ilman ihmiskäsiä – siis kohteissa, joihin huoltoteknikko ei pääse helposti käsiksi.

Valittavana on monia erilaisia energialähteitä, eikä niiden tarvitse olla ulkokäyttöön tarkoitettuja, jotta niitä voidaan hyödyntää. Aurinkoenergiaa, tärinään perustuvaa pietsosähköistä energiaa, lämpösähköistä energiaa ja jopa RF-energiaa voidaan kerätä (vaikka sillä onkin erittäin alhainen tehotaso).

Mitä tulee varjopuoliin, energiankeruun alkukustannukset ovat korkeammat verrattuna muihin aiemmin käsiteltyihin teholähteisiin. Mukaan tarvitaan jokin keruuelementti, esimerkiksi aurinkopaneeli, pietsosähköinen muunnin tai Peltier- elementti, sekä energianmuunninpiiri ja sen tarvitsemat oheiskomponentit.

Toinen haittapuoli on kokonaisratkaisun fyysinen koko, varsinkin verrattuna vaikka nappipariston kaltaiseen teholähteeseen. Kokonaisratkaisussa yhtä pieneen kokoon on vaikea päästä energiankeräimellä ja muunninpiirillä.

Energiatehokkuuden kannalta voi olla hankalaa hallita näiden lähteiden tuottamia hyvin alhaisia tehotasoja. Tämä johtuu siitä, että monet lähteistä tuottavat

vaihtojännitettä, joten ne vaativat myös tasasuuntauksen. Siihen käytetään yleisesti diodeja, joten suunnittelija joutuu tekemisiin niiden luontaisista ominaisuuksista aiheutuvien energiahäviöiden kanssa. Tämän vaikutus vähenee, jos tulojännitettä nostetaan, mutta aina se ei ole mahdollista.

Energiankeruuta koskevissa pohdiskeluissa nousevat usein esiin tuoteperhe ADP509x sekä keruupiiri LTC3108, jotka voivat toimia yhdessä useiden energialähteiden kanssa.

Ne tarjoavat useita tehopolkuja ja ohjelmoitavan latauksenhallinnan vaihtoehtoja, jotka tuovat suunnitteluun lisää joustavuutta. Useita energialähteitä voidaan käyttää ADP509x-piirien tehonsyöttöön, mutta samalla myös energian keräämiseen akun lataamiseksi tai käyttötehon syöttämiseksi järjestelmälle.

IoT-solmun teholähteenä voidaan käyttää mitä tahansa alkaen eri valolähteistä (ulkona ja sisällä) aina lämpösähkögeneraattoreihin, joilla voidaan kerätä lämpöenergiaa ihmiskehon lämmöstä puettavissa sovelluksissa tai moottorin tuottamasta hukkalämmöstä. Yksi vaihtoehto on kerätä energiaa pietsosähköisestä lähteestä, mikä edelleen lisää joustavuutta – tämä on kätevä vaihtoehto kerätä tärinäenergiaa esimerkiksi käynnissä olevasta moottorista.

Toinen piiri, joka pystyy hyödyntämään tehoa pietsosähköisestä lähteestä, on ADP5304. Se toimii erittäin alhaisella lepovirralla (tyypillisesti 260 nA ilman kuormaa), mikä tekee siitä ihanteellisen energiankeruusovelluksiin alhaisilla tehotasoilla. Piirin datalehdessä esitellään tyypillinen energiankeruuratkaisu, jossa piiri saa energiaa pietsosähköisestä lähteestä ja syöttää tehoa AD-muuntimelle tai RF-mikropiirille.

Energianhallinta

Myös energianhallinnan tulisi olla osana pohdiskelua, joka liittyy rajallisen tehobudjetin omaaviin sovelluksiin. Sen pitäisi alkaa siinä vaiheessa, kun sovellukselle kehitetään tehobudjettilaskelmaa ennen kuin tarkastellaan erilaisia tehonhallintaratkaisuja.

Tämä olennainen vaihe auttaa järjestelmien suunnittelijoita ymmärtämään sovelluskohteen tärkeimpiä komponentteja ja kuinka paljon energiaa ne tarvitsevat. Tämä myös auttaa kehittäjiä päättelemään, tulisiko sovellukseen valita primääriparisto, ladattava akku, energiankeruu vai jokin näiden yhdistelmä tehonsyöttötavaksi.

Energianhallinnan kannalta tärkeä yksityiskohta on myös se, kuinka usein IoT- laite vastaanottaa signaalia ja lähettää dataa takaisin keskusjärjestelmään tai pilveen. Tällä on suuri merkitys sovelluksen kokonaistehonkulutuksen kannalta. Yleisesti käytetty tekniikka on jakaa tehonkulutus lyhyisiin toimintajaksoihin (duty cycle), joiden aikana tietoja kerätään ja/tai lähetetään tai pidentää lepoaikaa laitteen herätysten välillä.

Valmiustilojen hyödyntäminen on kaikissa elektronisissa laitteissa hyvin hyödyllinen työkalu - jos ne vain ovat käytettävissä - kun tavoitteena on hallita järjestelmän energiankäyttöä.

Tehonhallinta ajoissa työn alle

Kuten yleensäkin kaikissa elektroniikan sovelluksissa, on tärkeää miettiä laitteen tehonhallintaosan rakennetta mahdollisimman aikaisessa vaiheessa. Tämä on vieläkin tärkeämpää tehon suhteen rajallisissa sovelluksissa kuten edellä käsitellyissä IoT-laitteissa.

Tehobudjetin kehittäminen prosessin varhaisessa vaiheessa voi auttaa järjestelmien suunnittelijoita tunnistamaan tehokkaimman kehityspolun ja sopivimmat piirit, jotka vastaavat sovellusten asettamiin haasteisiin ja samalla tarjoavat ratkaisun, joka yltää korkeaan energiatehokkuuteen pienessä koossa.

Artikkeli on ilmestynyt uudessa ETNdigi-lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.