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¿Cuáles son las Mejores Aplicaciones para IoT en el Nuevo Mundo de los ICs de Gestión de Energía?

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Figura 1. Circuito de aplicación LTC3337 y LTC3336 .

Diarmuid Carey, Central Applications Engineer

Este artículo explora la tecnología de baterías para Internet de las Cosas (IoT). Describe algunos de los problemas que enfrentan los diseñadores con el suministro de energía y proporciona soluciones de Analog Devices. Estas soluciones son altamente eficientes y pueden ayudar a frenar otros problemas en sus dispositivos IoT, incluido el tamaño, el peso y la temperatura.

Con el creciente uso de dispositivos IoT en equipos industriales, automatización del hogar y aplicaciones médicas, existe una creciente presión para optimizar la parte de administración de energía de estos dispositivos, ya sea a través de un factor de forma más pequeño, una mejor eficiencia, un mejor consumo de corriente o tiempos de carga más rápidos (para dispositivos IoT portátiles). Todo esto debe lograrse en un factor de forma pequeño que no afecte negativamente a las térmicas ni interfiera con la comunicación inalámbrica implementada por estos dispositivos.

¿Qué es IoT?

Esta área de aplicación de IoT en particular viene bajo muchas formas diferentes. Por lo general, se refiere a un dispositivo electrónico inteligente conectado a la red que funciona con baterías y envía datos precalculados a la infraestructura basada en la nube.  Utiliza una mezcla de sistemas integrados, como procesadores, circuitos integrados de comunicación y sensores, para recopilar, responder y enviar datos a un punto central u otro nodo de la red. Esto puede ser cualquier cosa, desde un simple sensor de temperatura que envía información de la temperatura ambiente a un área de monitoreo central, hasta un monitor de estado de la máquina que monitoriza la salud a largo plazo de equipos de fábrica muy costosos.

Últimamente, estos dispositivos se están desarrollando para resolver un desafío particular, ya sea para automatizar tareas que normalmente requerirían intervención humana, como la automatización del hogar o del edificio, o tal vez para mejorar la usabilidad y la longevidad de los equipos en el caso de aplicaciones industriales de IoT, o incluso para mejorar la seguridad si se consideran las aplicaciones de monitoreo basadas en las condiciones implementadas en aplicaciones basadas en estructuras, como puentes.

Ejemplos de Aplicaciones

Las áreas de aplicación para dispositivos IoT son casi infinitas con nuevos dispositivos y casos de uso que se piensan todos los días. Las aplicaciones basadas en transmisores inteligentes recopilan datos sobre el entorno en el que se sientan para tomar decisiones sobre el control del calor, la activación de alarmas o la automatización de tareas particulares. Además, los instrumentos portátiles como los medidores de gas y los sistemas de medición de la calidad del aire proporcionan una medición precisa a través de la nube a un centro de control. Los sistemas de rastreo GPS son otra aplicación. Permiten el seguimiento de contenedores de envío, así como de ganado como vacas a través de etiquetas inteligentes en las orejas. Estos comprenden solo una pequeña área de dispositivos conectados a la nube. Otras áreas incluyen la atención médica portátil y las aplicaciones de detección de infraestructura.

Un área de crecimiento significativo son las aplicaciones industriales de IoT, que son parte de la cuarta revolución industrial donde las fábricas inteligentes toman el centro del escenario. Hay una amplia gama de aplicaciones de IoT que, últimamente, intentan automatizar la mayor parte posible de la fábrica, ya sea mediante el uso de vehículos guiados automatizados (AGV), sensores inteligentes como etiquetas de RF o medidores de presión, u otros sensores ambientales colocados alrededor de la fábrica.

Desde una perspectiva de ADI, el enfoque de IoT de alto nivel se ha centrado en cinco áreas principales:

  • Salud inteligente: admite aplicaciones de monitoreo de signos vitales tanto a nivel clínico como de consumo.
  • Fábricas inteligentes: se centran en la construcción de la Industria 4.0 haciendo que las fábricas sean más receptivas, flexibles y eficientes.
  • Edificios inteligentes/ciudades inteligentes: utiliza detección inteligente para la seguridad del edificio, detección de ocupación de espacios de estacionamiento, así como control térmico y eléctrico.
  • Agricultura inteligente: utiliza la tecnología disponible para permitir la agricultura automatizada y la eficiencia en el uso de recursos.
  • Infraestructura inteligente: basada en nuestra tecnología de monitoreo basada en las condiciones para monitorear el movimiento y la salud estructural.

Se puede encontrar más información sobre estas áreas de enfoque y las tecnologías disponibles para apoyarlas en la web de Analog Devices.

Desafíos de Diseño de IoT

¿Cuáles son los desafíos clave a los que se enfrenta un diseñador en el siempre creciente espacio de aplicación de IoT? La mayoría de estos dispositivos, o nodos, se están instalando tras la construcción o en áreas de difícil acceso, por lo que la potencia de funcionamiento para ellos no es una posibilidad. Esto, por supuesto, significa que dependen totalmente de las baterías y/o la recolección de energía como fuente de energía.

Mover energía alrededor de grandes instalaciones puede ser bastante costoso. Por ejemplo, considere la posibilidad de alimentar un nodo remoto de IoT en una fábrica. La idea de ejecutar un nuevo cable de alimentación para alimentar este dispositivo es costosa y requiere mucho tiempo, lo que esencialmente deja la energía de la batería o la recolección de energía como las opciones restantes para alimentar estos nodos remotos.

La dependencia de la energía de la batería introduce la necesidad de seguir un presupuesto de energía estricto para garantizar que se maximice la vida útil de la batería, lo que, por supuesto, tiene un impacto en el coste total del dispositivo. Otra desventaja del uso de la batería es la necesidad de reemplazar la batería después de que su vida útil haya expirado. Esto incluye no solo el coste de la batería en sí, sino también el alto coste de la mano de obra humana para reemplazar y posiblemente desechar la batería vieja.

Una consideración adicional sobre el coste y el tamaño de la batería: es muy fácil sobrediseñar la batería para garantizar que haya suficiente capacidad para lograr el requisito de vida útil, que a menudo es superior a 10 años. Sin embargo, el sobrediseño resulta en costes y tamaños adicionales, por lo que es extremadamente importante no solo optimizar el presupuesto de energía, sino también minimizar el uso de energía siempre que sea posible para instalar la batería más pequeña posible que aún cumpla con sus requisitos de diseño.

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Para los propósitos de esta discusión de energía, las fuentes de energía para aplicaciones de IoT se pueden ver como tres escenarios:

  • Dispositivos que dependen de la energía de batería no recargable (batería primaria).
  • Dispositivos que requieren baterías recargables.
  • Dispositivos que utilizan la recolección de energía para proporcionar energía al sistema.

Estas fuentes se pueden utilizar individualmente o, alternativamente, combinarse si la aplicación lo requiere.

Aplicaciones de Baterías Primarias

Todos ustedes conocen las diferentes aplicaciones de baterías primarias, que también se conocen como aplicaciones de baterías no recargables. Éstas están orientadas a aplicaciones donde solo se usa energía ocasional, es decir, el dispositivo se enciende ocasionalmente antes de volver a un modo de suspensión profunda donde consume una energía mínima. La principal ventaja de usarlas como fuente de energía es que proporciona una alta densidad de energía y un diseño más simple, ya que no necesita acomodar circuitos de carga/administración de baterías, así como un menor coste, ya que las baterías son más baratas y se requiere menos electrónica. Encajan bien en aplicaciones de bajo coste y bajo consumo de energía, pero debido a que estas baterías tienen una vida útil finita, no son adecuadas para aplicaciones donde el consumo de energía es un poco más alto, por lo que esto incurre en un coste tanto para una batería de reemplazo como para el coste del técnico de servicio requerido para reemplazar las baterías.

Considere una instalación de IoT grande con muchos nodos. Si tiene un técnico en el sitio reemplazando la batería por un dispositivo, muy a menudo todas las baterías terminarán siendo reemplazadas a la vez para ahorrar el coste de mano de obra. Por supuesto, esto es un desperdicio y solo se suma a nuestro problema global general de desechos. Además de eso, las baterías no recargables proporcionan solo alrededor del 2% de la energía utilizada para fabricarlas en primer lugar. El ~ 98% de la energía desperdiciada los convierte en una fuente de energía muy poco económica.

Obviamente, éstas tienen un lugar en las aplicaciones basadas en IoT. Su coste inicial relativamente bajo los hace ideales para aplicaciones de menor potencia. Hay muchos tipos y tamaños diferentes disponibles, y como no necesitan mucha electrónica adicional para la carga o la gestión, son una solución simple.

Desde una perspectiva de diseño, el desafío clave es aprovechar al máximo la energía disponible de estas pequeñas fuentes de energía. Con ese fin, se necesita dedicar mucho tiempo a crear un plan de presupuesto de energía para garantizar que se maximice la vida útil de la batería, siendo 10 años un objetivo común de por vida.

Para aplicaciones de baterías primarias, vale la pena considerar  dos partes de nuestra familia de productos de nanopotencia: el contador de culombios de nanopotencia LTC3337 y el regulador buck de nanopotencia LTC3336, que se muestran en la Figura 1.

El LTC3336 es un convertidor de CC a CC de baja potencia que funciona desde una entrada de hasta 15 V con un nivel de corriente de salida máxima programable. La entrada puede llegar hasta 2,5 V, lo que la hace ideal para aplicaciones alimentadas por batería.

La corriente de reposo es excepcionalmente baja, 65 nA, mientras regula sin carga. A medida que avanzan los convertidores de CC a CC, son bastante fáciles de configurar y usar en un nuevo diseño. El voltaje de salida se programa en función de cómo se conectan los pines OUT0 a OUT3.

El dispositivo complementario al LTC3336 es el LTC3337, un monitor de estado de la batería primaria de nanopotencia y contador de culombios. Este es otro dispositivo fácil de usar en un nuevo diseño: simplemente coloque los pines IPK de acuerdo con la corriente máxima requerida, que se encuentra en la región de 5 mA a 100 mA. Ejecute algunos cálculos basados en la batería seleccionada y, a continuación, coloque el condensador de salida recomendado en función de la corriente máxima seleccionada, que se indica en la hoja de datos.

Definitivamente, este es un fantástico emparejamiento de dispositivos para aplicaciones de IoT con un presupuesto de energía limitado. Estas piezas pueden monitorear con precisión el uso de energía de la batería primaria y convertir eficientemente la salida a un voltaje del sistema utilizable.

Aplicaciones de Baterías Recargables

Pasemos a las aplicaciones recargables.  Estas son una buena opción para aplicaciones de IoT de mayor potencia o mayor drenaje donde el reemplazo frecuente de la batería primaria no es una opción. Una aplicación de batería recargable es una implementación de mayor coste debido al coste inicial de las baterías y los circuitos de carga, pero en aplicaciones de mayor drenaje donde las baterías se agotan y se cargan con frecuencia, el coste se justifica y pronto se devuelve.

Dependiendo de la química utilizada, una aplicación de batería recargable puede tener una energía inicial más baja que una celda primaria, pero a largo plazo es la opción más eficiente y, en general, es menos derrochadora. Dependiendo de las necesidades de energía, otra opción es el almacenamiento con condensadores o supercondensadores, pero estos son más para el almacenamiento de respaldo a corto plazo.

La carga de la batería implica varios modos diferentes y perfiles especializados que dependen de la química utilizada. Por ejemplo, un perfil de carga de batería de iones de litio se muestra en la Figura 2. En la parte inferior está el voltaje de la batería, y la corriente de carga está en el eje vertical.

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Figura 2. Corriente de carga vs. Voltaje de la batería.

 

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Figura 3. Voltaje/corriente de carga vs. tiempo.

Cuando la batería está severamente descargada, como a la izquierda de la Figura 2, el cargador debe ser lo suficientemente inteligente como para ponerlo en modo de precarga para aumentar lentamente el voltaje de la batería a un nivel seguro antes de entrar en modo de corriente constante.

En el modo de corriente constante, el cargador empuja la corriente programada hacia la batería hasta que el voltaje de la batería aumenta al voltaje de flotación programado.

Tanto la corriente programada como el voltaje se definen por el tipo de batería utilizada: la corriente de carga está limitada por el C-rate y el tiempo de carga requerido, y el voltaje de flotación se basa en lo que es seguro para la batería. Los diseñadores de sistemas pueden reducir un poco el voltaje de flotación para ayudar con la vida útil de la batería si así lo requiere el sistema, como todo con lo que tiene que ver con energía, se trata de compensaciones.

Cuando se alcanza el voltaje de flotación, se puede ver que la corriente de carga cae a cero y este voltaje se mantiene durante un tiempo basado en el algoritmo de terminación.

La Figura 3 proporciona un gráfico diferente para una aplicación de 3 celdas que muestra el comportamiento a lo largo del tiempo. El voltaje de la batería se muestra en rojo y la corriente de carga está en azul. Comienza en modo de corriente constante, alcanzando un máximo de 2 A hasta que el voltaje de la batería alcanza el umbral de voltaje constante de 12.6 V. El cargador mantiene este voltaje durante el tiempo definido por el temporizador de terminación, en este caso, una ventana de 4 horas. Esta vez es programable en muchas partes del cargador.

Para obtener más información sobre la carga de la batería, así como algunos productos interesantes, recomendaría el artículo de Analog Dialogue  Simple Battery Charger ICs for Any Chemistry.”

La Figura 4 muestra un buen ejemplo de un cargador de batería versátil, el LTC4162, que puede proporcionar una corriente de carga de hasta 3.2 A y es adecuado para una variedad de aplicaciones, incluidos instrumentos portátiles y aplicaciones que requieren baterías más grandes o baterías multicelda. También se puede utilizar para cargar desde fuentes de energía solares.

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Figura 4. El LTC4162, un cargador de batería buck de 3,2 A.

Aplicaciones de recolección de energía

Cuando se trabaja con aplicaciones de IoT y sus fuentes de energía, otra opción a considerar es la recolección de energía. Por supuesto, hay varias consideraciones para el diseñador del sistema, pero el atractivo de la energía libre no puede subestimarse, especialmente para aplicaciones donde los requisitos de energía no son demasiado críticos y donde la instalación debe ser sin intervención, es decir, ningún técnico de servicio puede llegar a ella.

Hay muchas fuentes de energía diferentes para elegir, y no necesitan ser una aplicación al aire libre para aprovecharlas. Se puede cosechar energía solar y piezoeléctrica o vibratoria, energía termoeléctrica e incluso energía de RF (aunque esta tiene un nivel de potencia muy bajo).

La Figura 5 proporciona un nivel de energía aproximado cuando se utilizan diferentes métodos de cosecha.

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Figura 5. Fuentes de energía y niveles aproximados disponibles para diversas aplicaciones.

En cuanto a las desventajas, el coste inicial es mayor en comparación con las otras fuentes de energía discutidas anteriormente, ya que necesita un elemento de cosecha como un panel solar, un receptor piezoeléctrico o un elemento Peltier, así como el CI de conversión de energía y los componentes de habilitación asociados.

Otra desventaja es el tamaño general de la solución, particularmente cuando se compara con una fuente de energía como una batería de botón. Es difícil lograr un tamaño de solución pequeño con un recolector de energía y un CI de conversión.

En cuanto a la eficiencia, esto puede ser complicado para administrar los bajos niveles de energía. Esto se debe a que muchas de las fuentes de alimentación son de CA, por lo que necesitan rectificación. Los diodos se utilizan para hacer esto. El diseñador debe lidiar con la pérdida de energía resultante de sus propiedades inherentes. El impacto de esto disminuye a medida que aumenta el voltaje de entrada, pero eso no siempre es posible.

Los dispositivos que aparecen en la mayoría de las discusiones de recolección de energía son de la  familia de productos ADP509x y el LTC3108, que puede acomodar una amplia gama de fuentes de recolección de energía con múltiples rutas de alimentación y opciones de administración de carga programables que ofrecen la más alta flexibilidad de diseño. Se puede utilizar una multitud de fuentes de energía para alimentar el ADP509x, pero también para extraer energía de esa fuente de energía para cargar una batería o alimentar una carga del sistema. Cualquier cosa, desde energía solar (tanto interior como exterior) hasta generadores termoeléctricos para extraer energía térmica del calor corporal en aplicaciones portátiles o calor del motor se puede utilizar para alimentar el nodo IoT. Otra opción es recolectar energía de una fuente piezoeléctrica, lo que agrega otra capa de flexibilidad; esta es una buena opción para extraer energía de un motor operativo, por ejemplo.

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Figura 6. Diagrama de bloques del ADP5090 en una aplicación de recolección de energía.

Otro dispositivo que es capaz de ser alimentado desde una fuente piezoeléctrica es el ADP5304, que funciona con una corriente de reposo muy baja (260 nA típica sin carga), lo que lo hace ideal para aplicaciones de recolección de energía de baja potencia. La hoja de datos comparte un circuito de aplicación típico de recolección de energía (consulte la Figura 7), alimentado por una fuente piezoeléctrica y que se utiliza para proporcionar energía a un ADC o un CI de RF.

Gestión de la Energía

Otra área que debería ser parte de cualquier discusión relacionada con aplicaciones con un presupuesto de energía limitado es la gestión de la energía. Esto comienza con el desarrollo de un cálculo del presupuesto de energía para la aplicación antes de buscar diferentes soluciones de administración de energía. Este paso esencial ayuda a los diseñadores de sistemas a comprender los componentes clave utilizados en el sistema y la cantidad de energía que requieren. Esto afecta su decisión de seleccionar una batería primaria, una batería recargable, una recolección de energía o una combinación de estos como metodología de suministro de energía.

La frecuencia con la que el dispositivo IoT recopila una señal y la envía de vuelta al sistema central o a la nube es otro detalle importante cuando se analiza la gestión de la energía, lo que tiene un gran impacto en el consumo general de energía. Una técnica común es hacer un ciclo de trabajo del uso de energía o estirar el tiempo entre despertar el dispositivo para recopilar y/o enviar datos.

Hacer uso de los modos de espera en cada uno de los dispositivos electrónicos (si están disponibles) también es una herramienta útil cuando se trata de administrar el uso de la energía del sistema.

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Figura 7. Circuito de aplicación de fuente piezoeléctrica ADP5304.

Conclusión

Al igual que con todas las aplicaciones electrónicas, es importante considerar la parte de administración de energía del circuito lo antes posible. Esto es aún más importante en aplicaciones con limitaciones de energía, como IoT. Desarrollar un presupuesto de energía al principio del proceso puede ayudar al diseñador del sistema a identificar la ruta más eficiente y los dispositivos adecuados que satisfagan los desafíos planteados por estas aplicaciones al tiempo que logran una alta eficiencia energética en un tamaño de solución pequeño.