Chytrá domácnost a technologie nanopower. Jak na to?

S chytrou domácností a jejími aplikacemi se pojí řada stavebních bloků. Některé z nich budou nasazovány na odlehlých místech bez jakékoli možnosti přivést kabely, takže potřebují bateriové napájení.

Patří mezi ně senzory, vypínače, měřidla či dálkové ovládání v jeho přenosné podobě. Zde všude se obvykle uplatní baterie. Pokud ale máme navrhnout praktické, drobné, spolehlivé a také levné systémy, nesmíme brát řízení napájení na lehkou váhu.

Pár slov úvodem

Novinky v oblasti technologií s přívlastkem „nanopower“ umožňují napájet zmíněná zařízení z jednoho či několika alkalických článků nebo lithium – iontových baterií (Li-Ion). V článku si ukážeme možné způsoby využití a také dva příklady zapojení s využitím nových spínaných měničů nanopower MAX77837 [1] a MAX18000 [2] od firmy Analog Devices.

Žít si svůj sen

Pohodlí je pro člověka hluboce zakořeněnou touhou. Navzdory své tvrdé práci pak utrácíme peníze, abychom si dále zjednodušili život. Jednou z oblastí, ve které lze pozorovat výrazný pokrok, bude i automatizace domácností s technologiemi „smart home“. Přejeme si, aby nám bydlení sloužilo ještě lépe, umožňovalo více odpočívat a zajišťovalo přitom pohodlí, bezpečí nebo též benefity spojované se životním prostředím.

Klasické domácí systémy typu HVAC, bezpečnostních alarmů, zahradních postřikovačů nebo zařízení umožňujících zábavu již samozřejmě nějakou dobu využíváme. Pokud však mají být skutečně užitečné, potřebovaly vzájemné propojení a řízení z webového rozhraní. Znovunastavení zavlažovacího systému tak, abychom přes den šetřili vodou, mohlo jinak v minulosti vyžadovat, abychom znovu „vyhrabali“ návod k použití. S jednou aplikací na mobilním telefonu dnes ale můžeme zvládnout prakticky cokoli, přičemž k základním rozhodnutím zde často dochází automaticky.

Tvoříme chytrou domácnost

Senzory je obvykle zapotřebí rozmístit po celém domově, takže může chytrá domácnost jednotlivé věci „vidět, slyšet a také vnímat“. Klasické snímače zaznamenají světlo, teplotu či pohyb, zatímco ty modernější pak pomohou s rozpoznáváním obrazu a další velmi bystrou identifikací. Díky těmto senzorům lze např. zjistit, kolik lidí se nachází v dané místnosti, že se u vchodových dveří pohybuje kočka nebo oknem nahlíží zloděj a hledá cennosti, které by mohl ukrást.

Abychom snížili náklady a umožnili flexibilní řešení, dokáží zmíněná čidla pracovat i bez příchozích vodičů. Senzory lze proto ve stávajícím prostředí jednoduše instalovat přesně tam, kde je to i zapotřebí. Díky bezdrátové komunikaci (Wi-Fi nebo Bluetooth^®) pak přenos dat nepředstavuje žádný složitý problém, který dnes musíme řešit. Každé čidlo ale potřebuje napájení a jeho zajištění pro většinu aplikací zase znamená nemalé komplikace. K dispozici zde samozřejmě máme sběr energie s běžnými fotovoltaickými články, nicméně jsou stále, a docela často, upřednostňovány právě ony baterie. V systémech pro chytrou domácnost představuje největší problém jejich výdrž. Aby mohly být obyčejné baterie praktické, a systémy s fotovoltaickými panely zase hospodárné, neobejdou se snímače bez vysoce účinných zdrojů napájení. Při návrhu jakéhokoli řešení pro chytré domácnosti bude rozhodující jak spotřeba v pohotovostním režimu (standby), tak i účinnost při plném zatěžování.

Opravdu účinné napájení? Stačí jediný článek baterie a zvyšující měnič

Jednoduchý způsob, jak napájet různě umístěné senzory, představuje primární článek, tedy baterie na jedno použití bez možnosti dalšího dobíjení. Takové baterie znamenají rozumný kompromis, pokud jde o náklady spojované se zapojením, hardwarové součásti a také samotné vlastnictví (tzn. i cenu společně s úsilím, vynaložené při výměně nebo příp. dobíjení). Zmíněné primární články obvykle poskytují napětí s velikostí typicky 1,5 V. Jedná se o úroveň, když jsou baterie stále čerstvé. Po vybití pak napětí na baterii klesá na hodnoty pod 0,8 V. Při vybíjení se u baterií s různým chemickým složením setkáváme i s odlišnými průběhy napětí. Obecně však platí, že při poklesu napětí pod 0,8 V již mají baterie sotva nějakou využitelnou energii.

Řadě elektronických zapojení však napětí o velikosti 0,8 V nestačí. Pokud se tedy máme se zdrojem lépe přizpůsobit požadavkům na provozní rozsah, nabízí se zapojení několika článků do série. Jenže rostoucí počet baterií nám zase zvyšuje cenu a v porovnání s jediným článkem dále vyžaduje i větší prostor. A právě proto zde máme k dispozici vysoce účinné zvyšující regulátory, které nám navyšují typické napětí primárního článku v rozsahu 0,8 V až 1,5 V na úroveň, kterou lze již použít k napájení aplikací pro chytrou domácnost, tedy 3,3 V nebo snad i 5 V. Drobný zvyšující měnič v zapojení s obvodem MAX18000 zachycuje obr. 1.

Obr. 1 Jednoduchý a vysoce účinný zvyšující měnič pro jediný článek baterie

Řešení je kompaktní a žádá si jen pár vnějších součástek. DC/DC měnič zde coby samotný integrovaný obvod přichází v pouzdru o velikosti 1,07 mm × 1,57 mm. Zvyšující měnič je přitom vybaven dvojicí interních 3,6A spínacích prvků. Když máme výstupní napětí k dispozici, a vše běží, činí klidová spotřeba jen 512 nA. Špičková účinnost zde dosahuje 95 % a při lehkém zatěžování, tedy s proudy tekoucími zátěží přes 20 µA, zůstáváme stále nad 90 procenty. Vstupní provozní napěťový rozsah činí 0,5 V až 5,5 V, takže lze zvyšovat i skutečně nízká napětí baterie, jako je 0,8 V, a získat přitom v rámci systému vyšší použitelné úrovně.

Vysoce efektivně i díky snižujícímu – zvyšujícímu měniči

Další aplikace se snímači zase poběží s několika bateriemi a možná i Li-Ion článkem. V porovnání s předchozím příkladem jde tudíž o trochu vyšší napětí. U plně nabité Li-Ion baterie totiž obvykle počítáme s úrovní okolo 3,7 V. Články se vybíjí a přibližné minimum v podobě 2,8 V pak znamená, že dostupná energie již byla prakticky vyčerpána. Napěťový rozsah od 2,8 V do 3,7 V si žádá snižující – zvyšující řešení se kterým lze pro běžná elektronická zapojení u typického snímače vyrábět jmenovité napětí 3,3 V. To je ostatně i důvod, proč se s rozmachem Li-Ion článků začaly těšit snižující – zvyšující měniče takové oblibě.

Podobná potřeba nastane v případě, kdy zapojíme do série trojici primárních článků o napětí 1,5 V. Pokud jsou baterie nové, dostaneme v součtu 4,5 V a jakmile již budou prakticky vybité, obdržíme zhruba jen 2,4 V. Výroba pevně dané úrovně 3,3 V si pro senzory opět žádá snižující – zvyšující přístup.

Na obr. 2 vidíme snižující – zvyšující řešení s obvody MAX77837. Takové zapojení vyžaduje pouze několik vnějších součástek, takže si na desce plošného spoje vystačíme s neobyčejně malými rozměry. Samotný čip zde rovněž dostaneme ve skutečně malém pouzdře, které si žádá pouze 1,84 mm × 1,03 mm. Jestliže by ale výrobce senzoru rád použil pouzdro s větší roztečí, tedy vzdáleností mezi vývody, má dále k dispozici provedení typu QFN o rozměrech 2,5 mm × 2 mm. K tomu, aby baterie vydržela tak dlouho, jak jen to bude možné, řešení slibuje typický klidový odběr jen 430 nA. A po vypnutí (shutdown) integrovaný obvod pro konverzi napájení spotřebuje pouhých 10 nA. To se může hodit v zapojeních, kde máme vedle hlavní baterie kondenzátor sloužící k ukládání energie. DC/DC měnič se pak bude určitou dobu nacházet v režimu „shutdown“, poté se zapne a opět nabíjí kapacitu. Díky tomu lze ušetřit více energie a s danou baterií ještě větší měrou navýšit provozní výdrž.

Obr. 2 Mimořádně efektivní snižující – zvyšující měnič, vyrábějící v porovnání s přiváděným vstupem vyšší nebo také nižší napětí

Jednoduchý návrh se simulací obvodu

Při návrhu snímače napájeného z baterií je důležité zodpovědět základní otázky, které se v zapojení dotýkají schopností či omezení daného napájení. Vysokou hodnotu mají v této fázi výpočty a simulace, protože nám šetří čas a snižují riziko, že začneme navrhovat hardware s nevyhovujícím integrovaným obvodem. Firma ADI nabízí pro začátek volně dostupný nástroj EE-Sim^® Power Tool [3]. Od uživatele se díky tomu očekává, že zadá pouze požadavky na vstupní napětí, výstupní napětí a proud, přičemž odpovídající řešení bude raz dva spočítáno. Ukázku výsledků, zprostředkovaných nástrojem EE-Sim^® Power Tool, vidíme na obr. 3.

Obr. 3 Návrh a simulace obvodů s nástrojem EE-Sim^® Power Tool

V závislosti na výpočtech a také skutečných vnějších součástkách lze přistoupit k simulaci obvodů, takže obdržíme časové průběhy různých napětí a proudů. K dispozici jsou rovněž pokročilé simulace (skoková změna zátěže, AC smyčka, odezva na změnu vstupu, účinnost).

Pro začátek i s hardwarem

Teorie a simulace jsou sice důležité, ale skutečný hardware – to je něco docela jiného. Kromě vývojových desek pro jednotlivé měniče zde rovněž máme kompletní a praktické systémy s čidly, takže si lze vše hezky vyzkoušet. Jedním z nich bude i systém pro detekci kouře (Multistandard Micropower Verified Smoke Detection System-on-Module). Obvody MAX77837 a ADP162 [4] zde napájí kompletní detektor kouře, složený z integrovaného optického modulu ADPD188BI [5] pro příslušnou detekci, stejně jako MAX32660 [6] s algoritmem pro zaznamenání požáru či kouře a digitálního čidla teploty MAX31875 [7]. Stáhnout lze rovněž veškeré návrhové soubory [8], takže je možné pohodlně vytvořit vysoce kvalitní senzor pro chytrou domácnost s přívlastkem „nanopower“. Plně optimalizovaný a také ověřený hardware senzoru zde zahrnuje i potřebný software a názorně ukazuje možnosti obvodů pro řízení napájení.

Obr. 4 Ověřený a mikropříkonový „system-on-module“ pro detekci kouře, podporující více standardů

Závěr

Chytrá domácnost se neobejde bez řízení napájení. Zajišťuje nám totiž vysoce účinnou konverzi napětí a prodlužuje výdrž malých a také levných baterií. Zmíněné senzory pak nabízí řadu funkcí, včetně robustní konektivity. Snižující, zvyšující nebo i snižující – zvyšující měniče v současné době vykazují neobyčejně nízké klidové odběry, takže se baterie nebo i systémy pro sběr energie z okolního prostředí stávají praktickým řešením pro spoustu aplikací se snímači. Vděčíme za to inovacím v oblasti procesů spojených s polovodiči a také návrhu integrovaných obvodů. To je však pouze začátek. Čeká nás totiž řada dalších novinek, takže bude možné v rámci propojené domácnosti navrhovat ještě chytřejší senzory. Nic z toho by však nebylo možné bez pokroku na poli řízení napájení.

Odkazy:

[1] https://www.analog.com/en/products/max77837.html

[2] https://www.analog.com/en/products/max18000.html

[3] https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ee-sim.html

[4] https://www.analog.com/en/products/adp162.html

[5] https://www.analog.com/en/products/adpd188bi.html

[6] https://www.analog.com/en/products/max32660.html

[7] https://www.analog.com/en/products/max31875.html

[8] https://www.analog.com/en/resources/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0583.html