Увеличение ресурса элементов питания для систем «Интернета вещей»

Тариг Чанг (Tarig Chang)

По мере того как мир непрерывно движется к соединению всего и вся, всё более популярными на рынке «Интернета вещей» (Internet of Things — IoT) становятся беспроводные датчики. Существует несколько определений «Интернета вещей». Согласно одному из вариантов, он определяется просто как система, позволяющая быть в курсе функционирования всего, что нас окружает, что достигается путём измерения различных параметров окружающей среды с помощью удалённых датчиков (рисунок 1).

 IEEE «Интернет вещей»

Рисунок 1. IEEE «Интернет вещей»

Большинство приложений IoT работает в режиме периодического обмена данными, когда большую часть времени система не активна. Ввиду такого режима работы системы, ток в неактивном состоянии становится чрезвычайно важным параметром при определении того, насколько хорошо система способна экономить энергию элемента питания и как долго она сможет проработать. В последние годы технологические достижения привели к резкому снижению токов систем в неактивном состоянии, которые в настоящее время составляют всего несколько десятков наноампер, однако есть возможность ещё больше снизить мощность, потребляемую системой.

Системный таймер со сверхмалой мощностью потребления может оказаться особенно полезен в системах, переходящих в активное состояние периодически или питающихся от батарей, то есть именно в таких, с которыми мы имеем дело в IoT-приложениях. Вот почему корпорация Texas Instruments вывела на рынок системные таймеры малой мощности TPL5110 и TPL5010. Обычно в таких системах для периодического перевода в активное состояние используется внутренний таймер микроконтроллера, однако даже в режиме малой мощности или в неактивном (спящем) режиме микроконтроллер (MCU) вполне может потреблять ток в несколько микроампер.

Новые таймеры, потребляя всего 35 нА, могут периодически генерировать системные прерывания, существенно снижая общий ток системы в неактивном состоянии (рисунок 2). Такая экономия энергии позволяет использовать элементы питания значительно меньшей ёмкости и габаритов, открывая возможности применения этих устройств в системах, получающих энергию из окружающей среды, или в системах с беспроводными датчиками. Эти таймеры обеспечивают возможность выбора интервалов срабатывания в диапазоне от 100 мс до 7200 с и рассчитаны на применение в системах, которые периодически переходят в активное состояние.

 Принцип работы

Рисунок 2. Принцип работы

Таймер TPL5010 работает, отправляя сигнал пробуждения в микроконтроллер по истечении каждого периода задержки, который можно установить программно (рисунок 3). Если микроконтроллер работает в сочетании с таймером TPL5010, возможно дальнейшее уменьшение его мощности потребления, в неактивном состоянии, за счёт отключения внутреннего таймера микроконтроллера. Кроме того, встроенная сторожевая функция (watchdog) постоянно контролирует работу микроконтроллера системы, обеспечивая высокую надёжность. Подробнее об этой сторожевой функции читайте на сайте производителя: www.ti.com/product/TPL5010/datasheet?DCMP=awire&HQS=sva-psp-ssp-tpl-awire-20150312-ds-tpl5010-en .

 Системный таймер малой мощности TPL5010 со сторожевой функцией

Рисунок 3. Системный таймер малой мощности TPL5010 со сторожевой функцией

В отличие от этого, таймер TPL5110 управляет работой внешнего МОП-транзистора (MOSFET) (рисунок 4), контролируя питание системы, что обеспечивает ещё большую экономию энергии. Помимо этой стандартной функции управления рабочим циклом, таймер TPL5110 способен работать в режиме «одиночного включения». В режиме одиночного включения таймер может обеспечивать включение внешнего МОП-транзистора на один цикл. В сочетании с возможностью сброса вручную эти две функции делают TPL5110 компактным и недорогим решением, которое идеально подходит для любых простых устройств подачи питания, не требующих микроконтроллера.

 Системный таймер малой мощности TPL5110 с драйвером МОП-транзистора

Рисунок 4. Системный таймер малой мощности TPL5110 с драйвером МОП-транзистора

Рассмотрим пример небольшой системы (рисунок 5).

 Типичный беспроводной датчик

Рисунок 5. Типичный беспроводной датчик

В случае системы, в которой датчики влажности и температуры используются для контроля состояния окружающей среды, результаты измерения обычно снимаются один раз в минуту. Это означает, что активное состояние рабочего цикла продолжается примерно 1 с, а в течение 59 с система будет выключена или находиться в неактивном состоянии. При этом включением/отключением системы может управлять и микроконтроллер, но если ток неактивного режима микроконтроллера составляет 120 мкА, система будет потреблять лишний ток. При наличии таймера TPL5110 система может потреблять всего 35 нА в неактивном режиме, что почти в 3500 раз меньше.

Литература

  1. www.ti.com/product/TPL5110/datasheet?DCMP=awire&HQS=sva-psp-ssp-tpl-awire-20150312-ds-tpl5110-en.
  2. www.ti.com/tool/tpl5110evm?DCMP=awire&HQS=sva-psp-ssp-tpl-awire-20150312-evm-tpl5110-en.
  3. www.ti.com/ww/en/internet_of_things/iot-overview.html?DCMP=awire&HQS=sva-psp-ssp-tpl-awire-20150312-lp-iot-en.