Alles ist vernetzt im Internet der Dinge (IoT). Bis 2020 werden laut Cisco an die 50 Milliarden vernetzte Geräte erwartet. Als vernetztes Kommunikationsnetzwerk treffen cyber-physikalische Systeme eigenständig intelligente Entscheidungen, agieren und kommunizieren in Echtzeit mit anderen Systemen und Menschen.
Ein Grund für den rasanten technologischen Fortschritt sind die rapide sinkenden Preise für Sensoren aller Art. War Sensortechnologie vor ungefähr zehn Jahren noch vorwiegend in Spezialanwendungen vertreten, so erobert sie dank des Preisverfalls mittlerweile auch den Massenmarkt. Dadurch ist es möglich, noch mehr Geräte miteinander zu vernetzen, sodass diese zunehmend Daten austauschen können und diese auch kombinieren. Wenn batteriebetriebene Sensoren über viele Jahre wartungsfrei laufen sollen, müssen sie energiesparend arbeiten. Ein kleiner Schaltregler kann den Stromverbrauch reduzieren und dadurch die Lebensdauer der Sensoren verlängern.
Fortschritt durch sinkende Preise
Häufig werden diese Applikationen mit preisgünstigen 3-V-Knopfzellen versorgt. Auf diese Weise können sie unabhängig von einem Netzanschluss flexibel eingesetzt werden. Doch birgt das auch seine Tücken. Eine vollständig geladene CR2032-Knopfzelle liefert rund 3,2 V. Jedoch sinkt bereits nach wenigen Stunden im Betrieb die Spannung auf unter 3 V. Schnell kann die zur Verfügung stehende Energie unter das benötigte Spannungsniveau, beispielsweise für Funkmodule wie WLAN, Bluetooth, LoRaWAN, sinken und beispielsweise die Reichweite stark einschränken oder gar die Übertragung stören.
Leider wird auch die angegebene Kapazität nur bei optimalen Bedingungen erreicht. Dadurch kann sich die Lebensdauer reduzieren, wenn eine Last mehr Strom erfordert oder die Temperaturen sinken. Anders als bei Geräten, die die erforderliche Energie aus dem Netz beziehen, müssen Batterien ab einem gewissen Zeitpunkt ausgetauscht werden. Bei Geräten an schwer erreichbaren Stellen steigt der Wartungsaufwand gleich nochmal. Daher ist es essenziell, die Batterielaufzeit für die Zukunft zu optimieren.
Modul erhöht Batterieleistung
Somit ist der Stromverbrauch eines der wichtigsten Kriterien beim Design von IoT-Applikationen, bei denen drahtlose Sensoren zum Einsatz kommen. Je weniger Strom ein Sensor benötigt, desto länger wird er laufen.
Am einfachsten lässt sich die Laufzeit einer Applikation jedoch verlängern, indem eine Batterie mit höherer Kapazität ausgewählt wird. Eine herkömmliche AA-Batterie hat beispielsweise eine Kapazität von bis zu 3.500 mAh. Im Gegensatz dazu besitzt eine Knopfzelle nur ungefähr 240 mAh. Allerdings hat die AA-Batterie üblicherweise nur eine Nennspannung von 1,5 V – zu wenig für die meisten IoT-Applikationen, die meist eine Spannung von 3,3 V benötigen.
Der neuartige Schaltregler R-78S von Recom wurde speziell für batteriebetriebene Applikationen konzipiert. Das Modul generiert aus niedrigen Eingangsspannungen von 0,65 bis 3,15 VDC eine stabile Versorgung von 3,3 V mit einer Regelgenauigkeit von 1 Prozent. Dadurch wird die Applikation, bis zur völligen Entleerung der Batterie, stabil und zuverlässig versorgt.
Mit dem Modul können Anwendungen wie beispielsweise Mikroprozessoren, WLAN- und Bluetooth-Module oder IoT-Systeme nun mit nur einer 1,5-V-Batterie- oder Akkuzelle versorgt werden. Diese besitzt im Gegensatz zu einer herkömmlichen Knopfzelle eine wesentlich höhere Kapazität und sorgt somit für eine längere Batterielebensdauer.
Energiesparender Schlaf
In einem typischen IoT-Anwendungsbeispiel mit einem Funkmodul sorgt eine günstige 1,5-V-Batterie für die Stromversorgung der Applikation. Der Schaltregler erhöht die Spannung auf die erforderlichen 3,3 V für den Mikrocontroller und das Funkmodul.
Durch die Integration eines Pufferkondensators, welcher die Schaltung bei Abschaltung versorgt, kann auch der R-78S in einen energiesparenden Sleep Mode versetzt werden. Die meiste Zeit verbringt die Schaltung in einem solchen energiesparenden Tiefschlaf. Sie wird immer nur ganz kurz aktiviert, um Daten zu übertragen. Wenn die Schaltung aktiv ist, verbraucht sie kurzzeitig ungefähr 600 µW. Danach kehrt sie erneut zurück in den Schlafmodus. In diesem liegt der Leistungsverbrauch nur noch bei ungefähr 20 µW. Der Schaltregler R-78S wird in diesem Zustand über einen Pufferkondensator versorgt und benötigt im Schlafmodus lediglich 7 µA.
Entladung verhindern
Nach einer gewissen Entladezeit unterschreitet die Ladung des Kondensators eine vorgegebene Schwelle. Der Mikroprozessor aktiviert den R-78S und die volle Batterieleistung steht augenblicklich zur Verfügung. Dadurch wird verhindert, dass die Schaltung zu lange im Schlafmodus verweilt und sich der Kondensator zu sehr entlädt, wodurch ein Wecken nicht mehr möglich wäre. Bei bestimmten Anwendungen könnte der Mikrocontroller auch durch ein externes Alarm-Signal geweckt werden.
Durch diese einfache Lösung kann die Batterie bis zum letzten mV ausgenutzt werden. IoT-Applikationen, welche durch Batterien versorgt werden, müssen wie bereits geschrieben besonders effizient sein. Dafür ist ein optimierter Wirkungsgrad essenziell. Um besonders sparsam zu sein, werden diese Applikationen meist im möglichst geringen Lastbereich betrieben.
Das Schaltregler-Modul R-78S wurde so optimiert, dass es nicht nur unter Volllast einen hervorragenden Wirkungsgrad von 93 Prozent erreicht. Vielmehr liegt dieser auch in dem für IoT-Anwendungen wichtigen, niedrigen Lastbereich von zehn Prozent noch bei über 80 Prozent.
Erwartungen schneller testen
Um Entwickler beim Design ihrer IoT-Anwendung bestmöglich zu unterstützen, hat Recom zusätzlich auch ein Referenzdesign und ein Evaluation Board auf den Markt gebracht. Ein Referenz-Design ist eine Komplettlösung, die als Ausgangsbasis für ein Design verwendet werden kann, um es schnell zum Laufen zu bringen. Es hat weniger Optionen als ein Evaluation Board, aber ermöglicht Entwicklern, schnell zu überprüfen, ob das Produkt wie erwartet in der Anwendung funktioniert.
Das R-REF02-78S ist ein fertiges Design für IoT-Anwendungen und kann direkt in der Anwendung verwendet werden. Das Referenzdesign enthält einen AA-Batteriehalter und einen R-78S3.3-0.1-Boost-Wandler. Zwei Jumper-Header J1 und J2 sind mit der Ausgangsspannung und dem CTRL-Pin des R-78S-Konverters verbunden. Ein Enable-Pin versetzt den R-78S in den Sleep-Modus, in welchem er nur 7 µA von der Batterie aufnimmt.
Das R-78S Evaluation Board zeigt die Leistung des R-78S, der eine AA-Batteriespannung von 1,5 auf stabile 3,3 V erhöht, bietet aber auch die Möglichkeit, die externe Eingangsspannung von anderen Niederspannungsquellen zu verwenden, wie etwa Energy-Harvesting-Geräten. Diese sind für Remote-Anwendungen typisch.
Externe Eingangsspannung angewandt
Die Last kann sowohl über Ausgangspins als auch über einen Mikro-USB-Port angeschlossen werden. Prüfpunkte zum Messen ermöglichen Ingenieuren die vollständige Bewertung des weiten Eingangsspannungsbereichs, des hohen Wirkungsgrads und außerdem des geringen Standby-Verlusts. Diese drei Faktoren tragen maßgeblich zu einer verlängerten Lebensdauer einer AA-Batterie bei und machen darüber hinaus sogar MEMS-Stromversorgungen möglich.
Zusätzlich dazu sind außerdem zwei Interface-Platinen für das Evaluation Board erhältlich. Mit diesen können entweder das Steval STLCS01V1 SensorTile von STMicroelectronics oder das SensiBLE v0.1 von Sensiedge angeschlossen werden.
Die vielen Sensoren im Internet der Dinge verlangen nach neuen Konzepten für die Stromversorgung. Vor allem bei batteriebetriebenen Systemen müssen Ingenieure darauf achten, dass die notwendigen Wechsel der Batterien nicht überhand nehmen. Erreicht wird das einerseits durch eine möglichst effiziente Schaltungstechnik. Auf der anderen Seite können allerdings auch speziell entwickelte Produkte, wie beispielsweise der Boost-Schaltregler R-78S, welcher besonders sparsam mit der Batterieladung umgeht, zu einer deutlich längeren Laufzeit maßgeblich beitragen.
