Utilizar un microcontrolador de recolección de energía para eliminar la sustitución de la batería del IoT

Por Stephen Evanczuk

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los diseñadores de dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) no conectados están constantemente buscando mejores formas de alimentar estos dispositivos para minimizar el tiempo de inactividad en aplicaciones de consumo, comerciales o industriales. Las baterías primarias deben ser controladas constantemente y, cuando se sustituyen, suponen un importante problema de eliminación. Las baterías recargables resuelven el problema de la eliminación, pero los dispositivos deben desmontarse, recargarse y volverse a montar.

Las limitaciones de los enfoques tradicionales han hecho que aumente el interés por las técnicas de captación de energía en las que se utiliza la energía del entorno para alimentar un dispositivo. El problema para los diseñadores es que los circuitos necesarios para recolectar energía y recargar las baterías pueden aumentar considerablemente la complejidad, el tamaño y el costo del diseño.

En este artículo se exponen brevemente los argumentos a favor del uso de la captación de energía en las aplicaciones del IoT y se describen algunos de los retos a los que se enfrentan los diseñadores. A continuación, se presenta un enfoque que supera estos retos mediante la integración de circuitos de recolección de energía y gestión de la carga de la batería en un microcontrolador (MCU). Al emplear soluciones de dispositivos de ejemplo y placas de evaluación asociadas de Renesas, el artículo mostrará cómo aplicar el enfoque para eliminar eficazmente la necesidad de reemplazar las baterías en los dispositivos IoT.

¿Por qué utilizar la captación de energía para el IoT?

La captación de energía es una solución atractiva para las aplicaciones del IoT, como los sistemas de sensores inalámbricos de baja potencia, donde permite el despliegue de dispositivos completamente libres de cables que requieren poco o ningún mantenimiento. Normalmente, estos dispositivos siguen necesitando una batería recargable o un supercondensador para satisfacer los picos de demanda de energía.

En principio, al aprovechar la energía del entorno, el sistema puede emplear un dispositivo de almacenamiento de energía más pequeño y prolongar su vida útil. A su vez, el diseño del IoT resultante puede caber en un paquete más pequeño siempre que la funcionalidad de recolección de energía añada poco al número de piezas del diseño. En la práctica, sin embargo, la necesidad de componentes adicionales para implementar la recolección de energía frustra los intentos de reducir la huella del diseño.

El problema es que una fuente de energía de recolección suele requerir dispositivos separados para recolectar la energía del entorno y garantizar la gestión adecuada de la carga de un dispositivo de almacenamiento de energía como una batería recargable o un supercondensador. Si se añade a un diseño de sistema inalámbrico ya minimalista compuesto por una MCU, un sensor y un transceptor de radiofrecuencia (RF), esta funcionalidad adicional puede convertir un diseño sencillo con pocas piezas en uno relativamente complejo (Figura 1).

Esquema de la recolección de energía en los dispositivos IoTFigura 1: El uso de la recolección de energía en los dispositivos IoT puede liberar a sus usuarios de los dolores de cabeza que supone el mantenimiento de las baterías, pero los requisitos añadidos han dado lugar normalmente a dispositivos cada vez más grandes, a una mayor complejidad de diseño y a un mayor costo; todo ello va en contra de los requisitos de un diseño IoT sin ataduras. (Fuente de la imagen: Renesas)

Minimizar los componentes para los diseños de IoT

Hasta la fecha, muchos de los diversos componentes necesarios para la captación de energía se han integrado en módulos especializados y en circuitos integrados de gestión de la energía (PMIC) como el LTC3105/LTC3107 de Analog Devices, el S6AE101A de Cypress Semiconductor, el MCRY12-125Q-42DIT de Matrix Industries y muchos otros. Estos dispositivos proporcionan un raíl de tensión regulado desde una célula solar, un generador termoeléctrico (TEG), un transductor de vibración piezoeléctrico u otra fuente de energía. Como tal, pueden servir como una fuente de alimentación de recolección de energía completa para un diseño básico de hardware de IoT. Aun así, los diseñadores tienen que ir más allá para cumplir los requisitos de las aplicaciones y mantener o conseguir una ventaja competitiva.

La familia de MCU RE01 de Renesas contribuye a estos objetivos, ya que lleva el enfoque de integración más allá al incluir un controlador de recolección de energía (EHC) dentro del dispositivo. De hecho, una MCU RE01 puede utilizar su EHC integrado para recargar una batería secundaria mientras proporciona energía al resto del dispositivo. Más que un simple dispositivo de recolección de energía, el RE01 incluye su EHC con un núcleo Arm® Cortex®-M0+ de 64 megahercios (MHz), Flash en el chip, un bloque de propiedad intelectual segura y fiable (TSIP), un convertidor analógico-digital (ADC) de 14 bits, temporizadores y múltiples interfaces periféricas (Figura 2).

Diagrama de la familia de microcontroladores RE01 de RenesasFigura 2: Creada para simplificar el diseño de dispositivos alimentados por batería, la familia de microcontroladores RE01 de Renesas combina un completo controlador de recolección de energía con un núcleo de procesador Arm Cortex-M0+ de bajo consumo, Flash en el chip y múltiples periféricos e interfaces. (Fuente de la imagen: Renesas)

Diseñado para simplificar la implementación de dispositivos IoT alimentados por batería, el RE01 integra un amplio conjunto de funcionalidades periféricas relevantes. Junto con su ADC y sus interfaces en serie para la integración de sensores, el dispositivo incluye un circuito de control del conductor del motor (bloque "MTDV" en la figura 2) capaz de accionar hasta tres motores; una fuente de corriente constante capaz de accionar tres diodos emisores de luz (LED) externos; y un generador de impulsos de baja velocidad (LPG). Para la salida de la pantalla, la MCU RE01 integra un acelerador gráfico para el procesamiento de imágenes bidimensionales (2D), así como un controlador de pantalla de cristal líquido (LCD) de memoria en píxeles (MIP). Para los requisitos de control en tiempo real, la MCU también incluye un temporizador de vigilancia, un reloj en tiempo real (RTC) y un circuito de corrección de reloj (CCC) que mantiene la precisión del reloj. Para el código de software y los datos, la familia RE01 combina la funcionalidad mencionada anteriormente en los dispositivos miembros, incluyendo el R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) con 1500 Kbytes de Flash, y el R7F0E01182CFM (RE01 256KB) con 256 kilobytes (Kbytes) de Flash.

Además de sus capacidades funcionales, la MCU RE01 ofrece muchas opciones para encontrar el equilibrio necesario entre rendimiento y consumo de energía. La MCU puede funcionar en múltiples modos de operación que minimizan el consumo de energía reduciendo la frecuencia de operación desde su tasa máxima de 64 MHz hasta 32,768 kilohercios (kHz) en un modo de baja corriente de fuga, con frecuencias intermedias en el modo de operación normal de 32 MHz o 2 MHz. En funcionamiento típico, el R7F0E015D2CFP RE01 1500KB suele consumir sólo 35 microamperios por megahercio (µA/MHz) de corriente activa y solo 500 nanoamperios (nA) de corriente en modo de espera a 1.62 voltios. Su ADC de 14 bits consume sólo 4 µA, y las reescrituras de programación Flash solo necesitan unos 0.6 miliamperios (mA). Al proporcionar el suministro para estas operaciones normales, el EHC de la MCU RE01 integra un amplio conjunto de capacidades diseñadas para facilitar la implementación de la recolección de energía y la gestión de la batería.

El controlador de recolección de energía integrado simplifica el diseño

Gracias a su EHC integrado, los MCUs RE01 hacen que la implementación de la recolección de energía sea una operación bastante rutinaria. Los desarrolladores solo tienen que conectar un elemento generador de energía, como una célula solar, un TEG o un transductor de vibración, directamente a los pines VSC_VCC y VSC_GND de la MCU. Cuando se dispone de suficiente energía ambiental, el EHC puede accionar los pines de salida de la MCU para cargar una batería secundaria (VBAT_EHC), un condensador de almacenamiento (VCC_SU) y otros dispositivos externos (Figura 3).

Diagrama del controlador de recolección de energía integrado en la MCU RE01 de Renesas (haga clic para ampliar)Figura 3: El controlador de recolección de energía integrado en la MCU RE01 de Renesas permite a los desarrolladores aprovechar rápidamente la recolección de energía. (Fuente de la imagen: Renesas)

La simplicidad del diseño se debe al conjunto completo de bloques funcionales que contiene la MCU RE01, como se muestra en la Figura 4.

Diagrama del controlador de recolección de energía integrado en la MCU RE01 de Renesas (haga clic para ampliar)Figura 4: El controlador de recolección de energía integrado en la MCU RE01 de Renesas incluye toda la funcionalidad necesaria para utilizar un elemento generador de energía para generar las salidas de voltaje requeridas. (Fuente de la imagen: Renesas)

Junto con sus bloques funcionales, el EHC proporciona varios circuitos de supervisión de la tensión, así como múltiples registros de estado y control para orquestar el suministro de energía. Por ejemplo, la bandera de estado de un elemento generador de energía (ENOUT) indica si ese elemento está generando corriente. A la inversa, un indicador de monitorización del objetivo de carga (CMPOUT) indica si se está aplicando tensión de carga a la batería secundaria o al condensador de almacenamiento. Cada una de estas características desempeña un papel a medida que el EHC pasa por los estados operativos asociados al arranque, al funcionamiento normal y al agotamiento de la batería (Figura 5).

El diagrama de la MCU RE01 de Renesas soporta toda la secuencia de carga (haga clic para ampliar)Figura 5: Mediante el uso de monitores de voltaje internos, indicadores de estado y registros, el controlador de recolección de energía integrado de la MCU RE01 de Renesas soporta toda la secuencia de carga, desde la carga inicial hasta el agotamiento. (Fuente de la imagen: Renesas)

Cuando se conecta un elemento generador de energía a la MCU, el EHC entra en el periodo de carga inicial. Aquí, el EHC permite que la energía fluya hacia VCC_SU, cargando el condensador de almacenamiento hasta que el nivel de tensión en VCC_SU supere un nivel de tensión umbral específico, VCC_SU_H. En este punto, el EHC utiliza el condensador de almacenamiento para comenzar a suministrar energía al dominio del sistema, VCC. Cuando VCC supera la tensión de umbral de encendido (VPOR), la señal de reinicio de encendido se pone en alto, liberando el dispositivo del reinicio y poniendo simultáneamente ENOUT en alto, indicando que el elemento generador de energía está activo.

Tras el reinicio de la alimentación, el registro de control de carga VBAT_EHC del EHC, VBATCTL, se pone a 11b, lo que permite al dispositivo comenzar a cargar la batería secundaria. De hecho, durante este periodo, el EHC alterna su salida de carga entre la batería secundaria y el condensador de almacenamiento para mantener el suministro de VCC mientras se carga la batería. Cuando la tensión del condensador de almacenamiento cae por debajo de un nivel de tensión umbral inferior, VCC_SU_L, el EHC conmuta la alimentación a VCC_SU hasta que alcanza el umbral superior VCC_SU_H, momento en el que reanuda la carga de la batería secundaria. Este proceso continúa hasta que la tensión del acumulador en VBAT_EHC alcanza el umbral de VBAT, VBAT_CHG (Figura 6).

Diagrama del Renesas RE01 EHC sigue manteniendo la carga en el condensador de almacenamiento (haga clic para ampliar)Figura 6: Incluso después de que el controlador de captación de energía (EHC) integrado en la MCU Renesas RE01 comience a cargar la batería del dispositivo, el EHC sigue manteniendo la carga en el condensador de almacenamiento, que proporciona el suministro del sistema VCC hasta que la batería está completamente cargada. (Fuente de la imagen: Renesas)

Una vez cargada la batería, se activa el bit QUICKMODE, lo que hace que el EHC entre en el estado de funcionamiento estable. En este estado, el EHC sigue cargando la batería desde el elemento generador de energía, al tiempo que suministra energía desde la batería al dominio VCC.

Si la energía ambiental disminuye y el elemento generador de energía deja de suministrarla, el EHC sigue suministrando VCC desde la batería. Eventualmente, el monitor de voltaje interno detectará que VBAT_EHC ha caído por debajo de un umbral preestablecido, Vdet1 y el bit QUICKMODE se pondrá a cero. Una vez establecido este bit, se corta la alimentación en el dominio VCC y se inicializan los registros EHC. Una mayor reducción de VCC por debajo de VPOR hace que el dispositivo reinicie la señal de reinicio de encendido. Para reanudar el funcionamiento, el dispositivo debe realizar, en consecuencia, la secuencia de carga inicial después de que la energía ambiental haya alcanzado niveles suficientes.

El kit de evaluación ayuda a la creación rápida de prototipos

Aunque el EHC integrado en el RE01 elimina la necesidad de componentes adicionales, para utilizar sus funciones, los desarrolladores deben configurar el dispositivo y ejecutar la serie de operaciones prescritas mencionadas anteriormente. Para ayudar a los desarrolladores a pasar rápidamente a la creación de prototipos y al desarrollo personalizado con la familia RE01, Renesas proporciona los kits de evaluación RTK70E015DS00000BE y RTK70E0118S00000BJ listos para usar para el RE01 1500KB y el RE01 256KB, respectivamente. De hecho, el kit RE01 1500KB ofrece una plataforma de desarrollo llave en mano que incluye la placa MCU RE01 1500KB (Figura 7), una placa de expansión LCD, un panel solar y un cable USB. Junto con la MCU RE01, la placa de desarrollo incluye un supercondensador de almacenamiento, un conector para una batería externa recargable, interruptores, LED, un depurador a bordo y múltiples conectores de interfaz, incluido un cabezal Arduino Uno.

Imagen del kit de evaluación Renesas RE01 1500KB (haga clic para ampliar)Figura 7: El kit de evaluación Renesas RE01 1500KB incluye una placa MCU RE01 1500 KB con un depurador integrado y múltiples opciones de interfaz diseñadas para ayudar a la evaluación, la creación de prototipos y el desarrollo personalizado. (Fuente de la imagen: Renesas)

Junto con la plataforma de desarrollo de hardware proporcionada en el kit de evaluación, Renesas proporciona un amplio conjunto de paquetes de software diseñados para ejecutarse en el entorno de desarrollo integrado (IDE) Embedded Workbench de IAR Systems, o en el propio IDE e2 Studio de Renesas. Construido sobre el paquete de controladores Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) de Arm, el software utiliza construcciones de software conocidas por los desarrolladores de código para procesadores basados en Arm.

Quizás lo más importante es que las rutinas de muestra de los paquetes de software de Renesas proporcionan una plantilla ejecutable para el desarrollo de software personalizado. Por ejemplo, la implementación de la secuencia de funcionamiento del EHC mostrada en la Figura 5 requiere una serie de procedimientos de inicialización necesarios para minimizar el consumo de energía durante etapas clave como la carga inicial y la carga de la batería secundaria. Una rutina de inicio proporcionada con el software de muestra demuestra cada uno de estos procedimientos de inicialización y configuración. Incluso mejor, Renesas proporciona a los desarrolladores una ruta clara para utilizar esta rutina de arranque para cambiar los parámetros según sea necesario e insertar su propio código de software en la secuencia de arranque (Figura 8).

Diagrama del código de muestra para poner en marcha las capacidades de recolección de energía de la MCU RE01 de Renesas (haga clic para ampliar)Figura 8: Incluido en la distribución de software de Renesas, el código de muestra para poner en marcha las capacidades de captación de energía de la MCU RE01 demuestra cada paso necesario, a la vez que destaca dónde pueden los desarrolladores modificar los parámetros o insertar su propio código de software. (Fuente de la imagen: Renesas)

Utilizando el kit de evaluación de Renesas y los paquetes de software relacionados, los desarrolladores pueden explorar rápidamente diferentes modos de funcionamiento de la MCU RE01 y evaluar los métodos de recolección de energía. Posteriormente, este entorno proporciona una plataforma eficaz para la creación rápida de prototipos de su propia aplicación y el desarrollo personalizado.

Conclusión:

La captación de energía ofrece una solución eficaz para reducir el tamaño de las baterías y prolongar su vida útil en sistemas de baja potencia como los dispositivos IoT, pero este enfoque puede aumentar considerablemente el tamaño, la complejidad y el costo del diseño. Es necesario un enfoque más integrado.

Una familia de MCU de Renesas, con múltiples bloques funcionales y periféricos, incluye un completo subsistema de captación de energía en el chip que agiliza y simplifica el diseño del sistema de captación de energía. Al trabajar con las placas de desarrollo y el software asociados, los desarrolladores pueden evaluar, crear prototipos y construir diseños personalizados rápidamente, capaces de aprovechar al máximo las ventajas de la captación de energía utilizando dispositivos pequeños y de bajo costo.

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Acerca de este autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk tiene más de 20 años de experiencia escribiendo para y sobre la industria de electrónica en un amplio rango de temas, entre ellos hardware, software, sistemas y aplicaciones, que incluyen IoT. Se doctoróen neurociencias (redes neuronales) y trabajó en la industria aeroespacial en sistemas seguros con distribución masiva y métodos de aceleración de algoritmos. Actualmente, cuando no escribe artículos sobre tecnología e ingeniería, trabaja en aplicaciones de aprendizaje profundo sobre sistemas de reconocimiento y recomendaciones.

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