שיקולים בתכנון מערכות דלות אנרגיה

במהלך העשור האחרון ישנו גידול דרמטי בכמות ומגוון מערכות ניידות הניזונות מסוללת ומשמשות לצורכי ניטור דגימה ועוד.

התפתחות עולם ה-IOT וההתקנים לבישים, חייב את המתכננים לאתר מקורות אנרגיה מתאימים מחד, ולשפר משמעותית את תכן המעגלים האלקטרוניים מאידך, כל זאת לצורך ייעול צריכת האנרגיה.

מרבית יצרני הרכיבים אמנם מצהירים על רכיבים בעלי צריכת זרם נמוכה , אך על המתכננים לבחון זאת בזהירות אל מול דפי הנתונים. חלק גדול מהצהרות היצרנים הם לצרכים מסחריים בלבד!

מקורות האנרגיה להתקנים ניידים

מקורות האנרגיה הזמינים הם סוללות נטענות או שאינן נטענות .

צפיפות האנרגיה הנמוכה ביותר תושג ע”י סוללת אלקליין כאשר סוללות יון ליתיום נטענות יאפשרו אנרגיה כפולה וסוללות ליתיום (לא נטענות). יאפשר קבלת צפיפות אנרגיה הגדולה ביותר.

שימוש בליתיום ידרוש מעגלי בטיחות מובנים למניעות שריפה ועוד.

ככל שנעלה בצפיפות האנרגיה ההיבט הבטיחותי משמעותי יותר.

לצערנו, קצב השיפור בצפיפות האנרגיה יחסית לצרכים הוא איטי ושימוש באנרגיה כימית ככל הנראה מוגבל (פתרונות אחרים כקציר אנרגיה מוגבלים לתחום המיקרו ואטים.)

אם כך פתרון לייעול צריכת האנרגיה יעשה ברמת המעגל האלקטרוני.

איך מתחילים :

בשלב ראשון: יש להגדיר את הדרישות הפונקציונאליות מההתקן המתוכנן:

• האם ינטר חיישנים ובאיזה קצב?
• האם המידע ישודר לאיזה טווח ובאיזה קצב?
• האם נדרשת תצוגה מסוג LCD או LED?
• מה הנפח הפיזי שעומד לרשותנו?

בשלב השני: יש להגדיר את אופן הפעולה:

• מהו מחזור הפעילות?
• כמה מזמן העבודה המערכת פעילה?
• כמה מזמן העבודה מערכת במצב שינה?

בשלב השלישי: יש לבחור את הרכיבים שונים מתוך שיקולים פונקציונליים:

• כושר עיבוד
• תדר עבודה
• כמות פינים
• מארזים
• פריפריות נחוצות
• סוגי תקשורת
• כמות זכרון
• ועוד

אך לא לשכוח להתייחס לנושאי חיסכון באנרגיה.

מעגלי מיקרו בקרים

יש לבחור את מיקרו הבקר גם משיקול הספק במצב עבודה ובמצב שינה בהתאמה למשימה.

באם ניתן להשתמש במקרו קונטרולים של 8 או 16 BIT במקום במיקרו קונטרולים של 32 BIT

יש לבחור במיקרו בקרים מסוג זה BIT הם חסכוניים יותר באנרגיה ובחלק מהמקרים זולים יותר.

רצוי להזין במתח עבודה נמוך יותר מה שמפחית את זרמי הזליגה.

שעון

תצרוכת הזרם של רכיבי CMOS הינה יחסית לתדר השעון, ככל שתדר שעון גבוהה יותר, תצרוכת הזרם גבוהה יותר, ומכאן רצוי להוריד את תדר השעון למינימום האפשרי, תוך התחשבות בדרישות ההתקן.

ניתן לחסוך אנרגיה באמצעות שליטה בתדר השעון כאשר בשלב תקשורת נקבע תדר הנדרש ובעת ביצוע חישובים מעלים את תדר השעון וחוזר חלילה.

מקור התדר יכול להיות R-C כפוף למגבלות דיוק האפשרית בקונפיגורציה זו.

רכיבים פריפריאליים

יש לחבר ולנתק רכיבים פריפריאליים בהתאם לצורך כאשר מקטע מסוים לא נדרש יש לנתקו באמצעות הקפאת השעון, במקרה זה תהיה צריכת זרם מסוימת אך מינימלית, או ע”י ניתוק מתח האספקה.

כניסות ויציאות דיסקרטיות

פינים צפים אסורים, יש לחבר את הפינים הפנויים לאדמה או לאספקה בהתאם להגדרת היצרן.

שעון זמן אמת

שימוש ב-RTC המובנה לתוך מיקרו בקר ומצריך גביש חיצוני בלבד, לרוב פחות מדויק וצורך יותר אנרגיה משימוש ברכיב RTC חיצוני עם גביש מובנה.

אספקת מתח

להתקנים דלי אנרגיה מומלץ לעבוד במתח הנמוך ביותר האפשרי, רצוי מתחת ל V 5.

מתח העבודה נקבע ע”י המעגל האלקטרוני ומקור הכח.

בטריות ראשוניות (אלקליין) בעלות מתח של V1.5  כאשר יש לקחת בחשבון שבטמפרטורת החדר ישנה זליגה של 10 mA. מתח זה לרוב נמוך מהנדרש ולכן יש להשתמש במידה וניתן בבטרייה נוספת המחוברת בטור או כמתמר DC/DC מסוגSTEPUP CONVERTER  חשוב לבחור מתמר בעל תצרוכת זרם נמוכה ככל שניתן שכן במצב שינה הוא יהיה פעיל על מנת לשמור חלק מהמעגל במצב “האזנה”.

קבלי סינון

קבלי סינון מסוג טאנטאליים או קבלים אלקטרולטים סובלים מזרם זליגה גבוהה ניתן להשתמש כמקור בקבלים מסוג MLCC בעלי זרם זליגה נמוך בהרבה.

לדים

לעיתים נדרש להשתמש ב LEDS לצורכי אנדיקציה הצגה דיווח תצרוכת אנרגיה של לד היא ב mW10-50, ולכן יש להקפיד על העקרונות הבאים:

• יש להפעיל את הלד כשנדרש
• רצוי להבהב את הלד (msec50 לכל שניה מאפשר נראות טובה) החיסכון שמתקבל באנרגיה משמעותי.
• רצוי לא להשתמש בלד כחול תצרוכת אנרגיה גדולה יחסית.
• רצוי להשתמש בלד ירוק תצרוכת אנרגיה יחסית לנראות נמוכה יחסית.

תצוגות

מקור צריכת האנרגיה בתצוגה הוא תאורת רקע ולכן רצוי להפעיל את התאורה רק כשנדרש.

במידה וניתן להשתמש ב LCD מסוג גווני אפור ללא תאורת רקע.

ככל שהצג קטן יותר פיזית תצרוכת האנרגיה קטנה יותר.

לתצוגה סטטית ניתן להשתמש ב e-paper

סנסורים

מרבית התקני IOT מצוידים בסנסורים לצרכי חישה וניטור תצרוכת אנרגיה של סנסורים משתנה בין mW  0.01 עבור מד תאוצה תלת צירי ועד 300 mW ל chip camera

יש להפעיל את הסנסורים כשנדרש בלבד במידת האפשר להוריד את קצב הדגימה למינימום נדרש .

תוכנה

שילוב מצבי שינה בתוך פעילות הנומינלית של ההתקן.

יציאה ממצב שינה יכולה להיות באמצעות פסיקה מהתקן חיצוני או קציבת זמן באמצעות TIMER פנימי.

רצוי באמצעות תוכנה לנטרל כל אלמנט שאינו נדרש לפעילות מסוימת ולהחזיר לעבודה כאשר נדרש.

תקשורת אלחוטית

ראשית יש לבחור את סוג התקשורת לרוב הבחירה היא פשרה בין:

• הספק
• מרחק שידור
• קצב העברת נתונים.

שיטות השידור השונות מאפשרות קבלת תכונות שונות לדוגמא :

• BLE מאפשר הספקים נמוכים אך קצב העברת נתונים נמוך מאוד לעומתBT שמאפשר קצב העברת נתונים גבוהה יותר אך תצרוכת הספק גבוהה.
• שימוש ב WIFI בזבזני בהספק אך מאפשר העברת נתונים בקצב מהיר.
• באמצעותLORA נקבל טווח שידור גבוהה (עד 1000 מטר) אך קצב העברת נתונים נמוך ביותר.

כדי לחסוך בהספק שידור יש:

• לבחור את שיטת השידור המתאימה למיקרו.
• להכניס את המערכת למצב שינה.
• לשלוח פחות מידע ככל שניתן מחד, מאידך להוריד את תכיפות העברת המידע.

לסיכום

עבודה בהספקים נמוכים דורשת תכנון מוקפד, בחירת רכיבים ושיטות עבודה תוך הקפדה על עמידה בדרישות ההתקן מחד וחסכון בהספק מאידך.