Figura 1: Bluetooth este cel mai răspândit protocol wireless, cu miliarde de dispozitive livrate anual. (Sursa: ABI Research)
Dispozitivele electronice portabile sunt omniprezente în viața noastră de zi cu zi, multe persoane deținând și folosind, zilnic, mai multe dispozitive. Utilizatorii se așteaptă la performanțe ridicate din partea dispozitivelor lor, precum și la o conectivitate fiabilă bazată pe baza unor protocoale precum Bluetooth® 5.2, Near Field Communication (NFC), Zigbee sau Thread.
Fie că este vorba de senzori casnici inteligenți, de tehnologie purtabilă sau de senzori industriali portabili, abilitatea de a se conecta la consumator sau la IoT (Internetul Lucrurilor) este un aspect esențial al utilității și funcționării dispozitivelor. Totuși, realizarea și menținerea conexiunii consumă energie din micile surse de alimentare pe care se bazează aceste dispozitive.
Anxietatea utilizatorului este adesea cauzată de faptul că nu are o estimare exactă a stadiului de încărcare al bateriei, ceea ce poate duce la oprirea dispozitivului în momente nepotrivite. În timp ce proiectanții încearcă să reducă dimensiunea dispozitivului și să maximizeze durata de viață a bateriei prin intermediul unui design eficient, ei încearcă, de asemenea, să ofere o stare de încărcare precisă fără a epuiza bateria, oferindu-le utilizatorilor încrederea că dispozitivul va continua să opereze.
Dispozitive conectate wireless cu consum redus de putere
În sectoarele industriale și de consum, a avut loc o expansiune incredibilă a dispozitivelor electronice portabile. În lumea consumatorilor, persoanele fizice posedă adesea o mulțime de dispozitive conectate, cum ar fi telefoane inteligente, tablete, dispozitive de urmărire a activității fizice și multe altele. Aceeași tehnologie revoluționează și industria modernă.
Dimensiunea pieței este uriașă. Potrivit unui raport realizat de ABI Research pentru Bluetooth SIG, în 2023 au fost livrate aproximativ 5,4 miliarde de dispozitive echipate cu Bluetooth, cu o creștere preconizată de 9% a ratei anuale compuse de creștere (CAGR) care ar urma să ajungă la 7,6 miliarde de dispozitive livrate pe an până în 2027 (figura 1). [1]
Aceste dispozitive ne revoluționează viața, conectându-se la lumea largă prin intermediul tehnologiei wireless, folosind cea mai recentă versiune a unor protocoale precum Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Bluetooth mesh, NFC, Thread și Zigbee. Însă, fără această conectivitate esențială, utilitatea lor devine, în cel mai bun caz, extrem de redusă.
Fiecare dispozitiv are nevoie, totodată, de o sursă de alimentare pentru a funcționa. În cazul multor dispozitive portabile de uz personal, aceasta poate fi o baterie internă reîncărcabilă, în timp ce în cazul nodurilor IoT, bateria este adesea o celulă tip monedă de capacitate redusă.
Creșterea utilizării bateriei și optimizarea acesteia
Este esențial să se obțină un echilibru între consumul de energie și funcționalitatea dispozitivului. La fel de importantă este și furnizarea unei estimări exacte a stării de încărcare a bateriei, fără a avea un impact semnificativ asupra descărcării bateriei.
Figura 2: Utilizatorii se așteaptă să aibă o estimare exactă a energiei rămase în bateriile lor reîncărcabile. (Sursa imaginii: MarySan/shutterstock.com)
Conectivitatea wireless este o caracteristică esențială, oferind o varietate de funcționalități care depind de dispozitivul final. Deși sunt disponibile multe protocoale pentru conectivitatea wireless − inclusiv NFC, Thread și Zigbee − Bluetooth Low Energy este adesea utilizat în soluțiile cu consum redus de putere. Spre deosebire de conexiunea activă în permanență asociată cu standardul Bluetooth, tehnologia Bluetooth Low Energy este activă doar atunci când este inițiată o conexiune, rămânând în modul sleep în celelalte momente.
Cei mai simpli senzori, care transmit periodic doar cantități mici de date (de exemplu, un indicator de temperatură), vor fi activi timp de câteva milisecunde, o dată la câteva minute sau cam așa ceva. Folosind această abordare, Bluetooth Low Energy obține o durată de viață a bateriei mult mai mare decât Bluetooth standard.
Măsurarea nivelului de încărcare a bateriei (figura 2) este importantă pentru orice dispozitiv wireless deoarece oferă utilizatorului o estimare a cantității de energie rămasă în baterie. Primele dispozitive de măsurare a nivelului de încărcare a bateriei utilizau un contor Coulomb pentru a măsura sarcina care intra în baterie în timpul încărcării și presupuneau că energia acumulată este disponibilă pentru alimentarea unui dispozitiv.
Această ipoteză este însă inexactă datorită ineficienței procesului de încărcare, a pierderilor de stocare și a pierderilor la descărcare. Prin urmare, mai puțin de 100% din energia introdusă în baterie este disponibilă pentru dispozitiv.
În plus, soluțiile anterioare nu țineau cont de îmbătrânirea bateriei. Adesea, diferența de capacitate între o baterie nouă și una veche poate fi semnificativă; totuși, în ambele cazuri, indicatorul bateriei va indica “plin”, în timp ce duratele de funcționare disponibile vor fi foarte diferite.
Miniaturizarea reprezintă o altă provocare pentru proiectanți. Cu fiecare generație, dispozitivele devin mai mici și includ o capacitate și o funcționalitate din ce în ce mai mari. Provocarea este deosebit de acută în cazul dispozitivelor purtate la încheietura mâinii și, cu atât mai mult, în cazul aparatelor auditive care trebuie să încapă în ureche.
Având în vedere spațiul disponibil limitat, proiectanții preferă adesea soluții înalt integrate, cum ar fi sistemele pe cipuri (SoC). De asemenea, designul restricționează semnificativ spațiul disponibil pentru baterie, ceea ce sporește nevoia de un consum de energie moderat și de o precizie ridicată în măsurarea bateriei.
Managementul puterii și soluția wireless oferită de Nordic
Recunoscând cererea tot mai mare pentru un management inteligent și eficient al alimentării, Nordic Semiconductor a dezvoltat circuitul integrat de management al alimentării (PMIC – Power Management Integrated Circuit) nPM1300. Acest dispozitiv avansat include două convertoare buck ultra-eficiente, două switch-uri/LDO de sarcină și încărcare integrată a bateriei. Acesta suportă încărcarea bateriei la 800mA pentru baterii Li-ion, Li-poly și LiFePO4.
Pentru a crește precizia măsurării bateriei în aplicațiile portabile compacte, nPM1300 dispune de un mecanism sofisticat de măsurare a nivelului de încărcare a bateriei bazat pe măsurători integrate ale curentului, tensiunii și temperaturii bateriei. Algoritmul avansat de măsurare a nivelului de încărcare de la Nordic combină aceste măsurători cu un model de baterie pentru a oferi predicții stabile și precise ale stării de încărcare. Eroarea standard rămâne sub ±3% atunci când bateria funcționează în condițiile sale nominale, precizia fiind menținută prin compensarea temperaturii în toată gama temperaturilor de operare a bateriei.
Figura 3: Kitul de evaluare de la Nordic nPM1300, având în centru dispozitivul PMIC nPM1300. (Sursa: Nordic Semiconductor)
Algoritmul de măsurare a nivelului de încărcare poate fi executat pe majoritatea SoC-urilor gazdă de la Nordic, precum și pe alte SoC-uri de pe piață. Pentru a crea modelul bateriei, inginerii pot efectua o analiză a bateriei lor folosind kitul de evaluare (EK) nPM1300 (figura 3) și extensia nPM Fuel Gauge Board.
Kitul de evaluare permite inginerilor să dezvolte și să configureze cu ușurință dispozitivul PMIC fără a fi nevoie de programare, deoarece setările nPM1300 pot fi configurate, pur și simplu, printr-o interfață grafică pentru utilizator (GUI) intuitivă, înainte de a fi portate pe SoC sau microcontroler.
Dispozitivul PMIC nPM1300 eficientizează proiectarea sistemelor prin încorporarea funcționalităților esențiale necesare pentru proiectele embedded Bluetooth Low Energy într-o capsulă compactă. Această integrare permite îmbunătățirea duratei de viață a bateriei și o încărcare mai eficientă, reducând în același timp numărul de componente necesare. PMIC-ul integrează într-o capsulă compactă o funcție de reset hardware, măsurarea precisă a nivelului de încărcare a bateriei, un watchdog la nivel de sistem, avertizarea în caz de pierdere de energie și recuperarea în cazul unui boot eșuat, precum și cinci pini GPIO (General Purpose Input Outputs) și trei drivere de LED.
De obicei, aceste funcții sunt implementate separat în proiectele embedded Bluetooth Low Energy, dar nPM1300 simplifică proiectarea sistemului prin integrare, configurarea fiind realizată prin interfața sa I²C.
nPM1300 a fost proiectat pentru a asigura o regularizare foarte eficientă a puterii pentru familiile nRF52 și nRF53 de la Nordic, inclusiv pentru SoC-ul nRF52840 (Figura 4). nRF52840 este o soluție completă multi-protocol și asigură suport pentru Bluetooth Low Energy, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, 802.15.4, ANT și stive proprietare de 2,4 GHz.
Figura 4: nRF52840 de la Nordic este un SoC wireless multi-protocol cu funcții avansate și consum de energie foarte redus. (Sursa: Nordic Semiconductor)
SoC-ul nRF52840 se bazează pe un procesor Arm® Cortex®-M4 pe 32-biți, 64MHz, cu consum redus de putere și unitate în virgulă mobilă. Acesta include numeroase periferice și interfețe digitale, cum ar fi SPI și QSPI de mare viteză pentru interfațarea cu memorii externe flash și display-uri, PDM și I²S pentru microfoane digitale și audio, precum și un dispozitiv USB de mare viteză pentru transfer de date.
Toate perifericele au un ceas independent și automat și un management al puterii. Se asigură astfel că acestea sunt dezactivate atunci când nu sunt necesare pentru operarea sarcinii, pentru a menține consumul de energie la un nivel minim, fără a fi nevoie să se implementeze și să se testeze scheme complexe de management al puterii. Curentul de vârf în timpul transmiterii este de numai 4,8mA, reducându-se la numai 1,5μA în modul ON al sistemului.
Mai mult, prin by-passarea regulatorului intern inițial de pe intrarea VDDH a nRF52840 și alimentarea acestuia cu tensiuni controlate direct de la dispozitivul PMIC nPM1300, în loc să fie alimentat direct de la o baterie sau de la o sursă USB, eficiența sistemului poate fi ridicată, mărind durata de funcționare a bateriei cu peste 20%.
Dispozitivul conține 1024KB (1MB) de memorie flash și 256KB de memorie RAM (tabelul 1) care pot fi utilizate pentru stocarea codului și a datelor. Nevoile de securitate sunt realizate prin intermediul unei unități criptografice Arm TrustZone® CryptoCell pe cip, aceasta oferind opțiuni criptografice multiple, executate independent de CPU.
| SoC | nRF5340 | nRF52840 | nRF52833 | nRF52832 | nRF52820 | nRF52811 | nRF52810 | nRF52805 |
| Bluetooth | 5.4 | 5.4 | 5.4 | 5.4 | 5.4 | 5.4 | 5.4 | 5.4 |
| Thread | Da | Da | Da | Da | Da | |||
| Matter | Da | Da | ||||||
| Zigbee | Da | Da | Da | Da | ||||
| Bluetooth Mesh | Da | Da | Da | Da | Da | |||
| Flash | 1MB + 256KB | 1MB | 512KB | 512/256KB | 256KB | 192KB | 192KB | 192KB |
| RAM | 512KB | 256KB | 128KB | 64/32KB | 32KB | 24KB | 24KB | 24KB |
Tabelul 1: SoC-urile wireless de la Nordic se potrivesc unei game variate de aplicații. (Sursa: Nordic Semiconductor)
Concluzie
Capacitatea bateriei a reprezentat întotdeauna o provocare în cazul dispozitivelor inteligente, solicitând proiectanților să facă un compromis între conectivitate și autonomie − o provocare accentuată din cauza măsurătorilor inexacte ale bateriei.
Noile soluții inovatoare, cum ar fi circuitul PMIC nPM1300 de la Nordic, au abordat serios această provocare, susținând operarea la un consum de putere ultra-redus, o puternică integrare a sistemului și o calibrare precisă a bateriei. Prin combinarea nPM1300 cu un SoC, cum ar fi nRF52840, inginerii pot crea produse cu un nivel mai ridicat de funcționalitate și precizie, reducând în același timp numărul de componente și dimensiunea fizică și satisfăcând cele mai recente cerințe tehnice din domeniul IoT.
[1] Bluetooth SIG, Inc., “2023 Bluetooth Market Update,” accesat la 19 ianuarie 2024, https://www.bluetooth.com/2023-market-update/.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
