כיצד לשפר את חיי הסוללה של מערכת משובצת?

כצרכנים, כשאנו שוקלים לרכוש מכשיר המופעל על ידי סוללה, אחד המדדים העיקריים שבדרך כלל נבדוק תחילה יהיה זמן הפעולה של המכשיר בטעינה אחת. חיי הסוללה הפכו לסוגיה מרכזית במכשירים נישאים רבים, אך הם מהווים שיקול משמעותי גם לגבי המספר ההולך וגדל של חיישני ‎IoT‎‏ תעשייתיים ויישומים דומים אחרים. הארכת חיי הסוללה אינה עניין פשוט שניתן לפתור על ידי שימוש בסוללה גדולה יותר; לגורמי הצורה הפיזיים ולממדים יש מגבלות מעשיות ועיצוביות. מהנדסי מערכות משובצות צריכים להתעמק בפרטי פרופיל צריכת החשמל של היישום כדי להבין באופן מלא את דרישות ההספק שלו בזמן אמת, ואת הגורמים המשפיעים עליה. מאמר זה מתאר את מדידת פרופיל צריכת החשמל של חיישן ‎IIoT‎‏, ואת הפעולות המעשיות שמהנדסים יכולים לנקוט כדי לסייע בהפחתה שלה.

עולמנו המופעל על ידי סוללות

אנו עשויים להתייחס לצורך המתעורר מעת לעת להחליף סוללה בתרמוסטט או בחיישן אבטחה אלחוטי בביתנו כאל מטרד קל. ההחלפה נמשכת דקות ספורות ועולה מעט מאוד. ברוב המקרים, המכשיר יתריע שיש להחליף את הסוללה באמצעות אפליקציה בטלפון החכם. כשמדובר על מכשירים שמגנים עלינו (כמו גלאי עשן), ההודעות של המכשיר מסייעות לנו לשמור על פעולת החיישן ולמנוע קורבנות בנפש.

אולם, תארו לעצמכם שעליכם לנהל החלפת סוללות של מאות חיישנים תעשייתיים, הממוקמים במספר אתרים מרוחקים. החלפת הסוללה אמנם נמשכת דקות ספורות, אך הנסיעה לכל מקום, האיתור הפרטני של כל חיישן והמעבר לחיישן הבא עלולה להפוך למשימה יקרה בהיקף של משרה מלאה. אתגר ה-‘‎truck roll‎‏’ המוכר הפך להיבט נסתר ויקר של כל פריסת ‎IIoT‎‏.

כדי למתן את ההשפעה של החלפת סוללות תכופה, יצרנים של מכשירים המופעלים על ידי סוללות צריכים להכיר את צריכת החשמל של המוצר שלהם במהלך פעולתו. מידע זה מאפשר לחשב את הצפי של חיי הסוללה. גישה זו היא גם צעד חיוני ראשון בתהליך ההחלפה של הסוללה במקור אנרגיה חלופי.

דוגמה לכך היא יישום טכניקות קצירת אנרגיה כדי לאגור אנרגיה בקבל-על. מקורות אנרגיה אפשריים כוללים רטט, אנרגיה סולארית וחום. בחינה מעמיקה של פרופיל צריכת החשמל ומחזור הפעולה של ההתקן תקבע אם ניתן לקצור ולאגור כמות מספקת של אנרגיה, שתאפשר הפעלה שוטפת.

הארכיטקטורה של חיישן טיפוסי המופעל באמצעות סוללה

איור 1 מתאר את הארכיטקטורה הפונקציונאלית של חיישן טמפרטורה ולחות אלחוטי לדוגמה, המופעל על ידי סוללה. ארכיטקטורה זו אופיינית למכשירי ‎IoT/IIoT‎‏ רבים המשמשים למדידה ולדיווח של פרמטרים סביבתיים שונים.

איור 1 – ארכיטקטורה פונקציונאלית מפושטת של חיישן ‎IoT/IIoT‎‏ טיפוסי (מקור: ‎Mouser‎‏)

פעולת החיישן כוללת את תזמון השלבים הבאים במיקרו-בקר (‎MCU‎‏):

  • התעוררות ממצב שינה
  • בקשת קריאות טמפרטורה ולחות מרכיבי החיישן
  • אריזת נתוני החיישן בפורמט של פרוטוקול הודעות
  • הפעלת קישור לנקודת גישה אלחוטית על ידי המקמ”ש האלחוטי
  • העברת הנתונים למערכת המארחת
  • העברת המכשיר כולו למצב שינה

ויסות ההספק והמרת המתח המסופק על ידי הסוללה מתבצעים על ידי מעגל משולב לניהול הספק (‎PMIC‎‏), ומעגלים חשמליים נוספים מספקים מדידת מתח וזרם. ניתן לארוז נתונים אלה יחד עם נתוני החיישן ולשלוח אותם ליישום המארח.

מיקרו-בקרים אלחוטיים המשולבים היטב במערכות על שבב (‎SoC‎‏) כוללים בדרך כלל את רוב הפונקציות המתוארות באיור 1. דוגמה לכך היא המערכת הסלולארית במארז (‎SiP‎‏) ‎nRF9160‎‏ של ‎Nordic Semiconductor‎‏ – ראו איור 2.

איור 2 – ‎Nordic nRF9160‎‏, מערכת ‎SiP‎‏ משולבת ביותר של מיקרו-בקר מקמ”ש אלחוטי סלולארי (מקור: ‎Nordic Semiconductor‎‏)

להשלמת התכן נדרשים רק החיישנים ורכיבי אכשור האותות הנלווים. גיליון הנתונים של המכשיר מפרט את פרמטרי צריכת החשמל של המיקרו-בקר והמקמ”ש האלחוטי במצבי שינה שונים. איור 3 מתאר את צריכת הזרם הטיפוסית של ה-‎MCU‎‏ במצבים שונים, שערכיה נעים בין ‎0.1 µA‎‏ ל-‎600 µA‎‏.

איור 3 – צריכת הזרם של ה-‎Nordic nRF9160 MCU ‎‏ במצבי שינה שונים (מקור: ‎Nordic‎‏)

המקמ”ש האלחוטי מבוקר באופן עצמאי, ומספק את המסגרת הנדרשת לניהול פרופיל הצריכה שלו. לדוגמה, הקושחה המשובצת יכולה להבטיח הפעלה של המקמ”ש האלחוטי רק בעת הצורך. ניתן להעביר חלק מהרכיבים ההיקפיים של ה-‎MCU‎‏ למצב שינה במהלך פעולה זו, ובכך להפחית את פרופיל הצריכה הכולל.

מדידת צריכת חשמל – אתגרים ומשאבים

הערכת חיי הסוללה של חיישן דורשת ניתוח מדוקדק של צריכת הזרם של המכשיר. לאחר שנקבע מדד הצריכה הממוצע, צוות הפיתוח יכול לנסות שיטות שונות לשיפור חיי הסוללה הצפויים. השיטות עשויות לכלול:

  • תזמון קפדני של ה-‎MCU‎‏ והמקמ”ש האלחוטי.
  • כיבוי רכיבים היקפיים כאשר אין בהם צורך.
  • שינוי מחזור הפעולה של המכשיר.
  • ניסוי של מצבי שינה שונים.
  • האטה של שעון ה-‎MCU ‎‏ כשהוא אינו מעבד נתונים.

אולם, מדידה מדויקת של הזרם בטווח דינמי כה רחב היא מורכבת, וחורגת מהיכולות של רב-מודד דיגיטלי (‎DMM‎‏) שולחני טיפוסי.

הזרם מחושב בדרך כלל באמצעות חוק אוהם על ידי מדידת ירידת המתח על פני נגד מצד. ירידת המתח על פני נגד המצד (המכונה מתח ההעמסה) מפחיתה את המתח המסופק על ידי העומס. כדי לקבל מדידות זרם נמוך (‎µA‎‏) מדויקות ומובחנות, מתח ההעמסה צריך להיות גבוה מספיק כדי שה-‎DMM‎‏ ימדוד את המתח המוזן אך לא יפחית אותו עד כדי כך שיגרום להתנהגות בלתי יציבה של המכשיר הנבדק (‎DUT‎‏). האופי הדינמי של פעולת ה-‎DUT‎‏, המשתנה ברגע מערכי ‎µA‎‏ נמוכים לערכי ‎mA‎‏, הופך סוגיה זו למורכבת אף יותר. כשמשתמשים בפסי הזנה אופייניים של ‎1.8 V‎‏ או ‎3.3 V‎‏ ל-‎SoC‎‏, השינוי הדינמי של מתח ההעמסה יגרום לאיפוסים ולניתוקים של ה-‎DUT‎‏ במהלך הפעולה.

רבי-מודדים דיגיטליים מדויקים מסוימים מסוגלים לעמוד בדרישה ספציפית זו. אולם, יחידות יקרות אלו משתמשות בממסר מיתוג כדי לשנות את ערכי נגד המצד במהלך הפעולה, והזמן הכרוך בכך (אפילו כשמשתמשים במתגי מצב מוצק) גורם לאובדן של הפירוט והדיוק של המדידה.

כדי לפתור את אתגר מדידת הזרם בטווח דינמי רחב, יצרנים פיתחו כלים לקביעת פרופיל הספק, המאפשרים לבצע מדידה ותיעוד מדויקים של הצריכה בזמן אמת. בין הדוגמאות לכך ניתן למנות את ‎Nordic Power Profiler Kit 2‎‏ (‎PPK‎‏) ואת ‎Qoitech Otti Arc‎‏.

‎Power Profiler 2‎‏

יכולת המדידה של ה-‎Nordic Semiconductor Power Profiler Kit 2‎‏ המוזנת בחשמל על ידי ‎USB‎‏ נעה בין ‎200 nA‎‏ ל-‎1 A‎‏, ברזולוציה תלוית טווח בין ‎100 nA‎‏ ל-‎1 mA‎‏. היא יכולה לפעול במצב מקור (שבו היא מספקת מתח ל-‎DUT‎‏), או במצב מד אמפר (שבו היא מודדת זרם בלבד). ה-‎PPK‎‏ מספקת פלט בין ‎0.8 VDC‎‏ ל-‎5 V‎‏, הניתן להגדרה בתוכנה עד לזרם מרבי של ‎1 A‎‏.

איור 4 – ‎Power Profiler 2‎‏ של ‎Nordic Semiconductor‎‏ (מקור: ‎Nordic Semiconductor‎‏)

יכולת מדידת הזרם בזמן אמת היא ‎100 kS/s‎‏, והיא מחליפה באופן אוטומטי בין חמישה טווחי מדידת זרם כדי לשמור על רזולוציה מיטבית.

היישום ‎Nordic Power Profiler‎‏ ל-‎PC‎‏ מתחבר ל-‎PPK‎‏ ומספק ממשק להגדרת ה-‎PPK‎‏ ולתיעוד נתוני המדידה. באיור 5 מובאת דוגמה של צילום מסך בזמן אמת.

איור 5 – צילום מסך של היישום ‎Power Profiler ‎‏, המבצע מדידת זרם בזמן אמת (מקור: ‎Nordic‎‏)

הקטנת רזולוציית הדגימה מ-‎100 kS/s‎‏ ל-‎1 S/s‎‏ מאריכה את תקופת הרישום המרבית מ-7 דקות ל-500 ימים.

ערכת ‎PPK2‎‏ כוללת גם סדרה של פיני ‎GPIO‎‏ דיגיטליים, המאפשרים להתחבר ל-‎DUT‎‏ (כדי לתזמן את תכונות הבקרה) או למנתח לוגי (כדי לסנכרן את מדידות הזרם לקוד היישום של ה-‎DUT‎‏).

‎Qoitech Otti‎‏

‎Qoitech Otti Arc‎‏ (ראו איור 6) הוא מנתח הספק קומפקטי, נייד ורב-תכליתי, המסוגל למדוד שמונה סדרי גודל ברזולוציה של ‎50 nA‎‏ ומעלה בטווח של עשרות ננו-אמפר עד ‎5 A‎‏.

איור 6 – יחידת המדידה המדויקת של זרם נמוך ב-‎Qoitech Otti Arc‎‏ (מקור: ‎Qoitech‎‏)

ניתן להגדיר את ה-‎Otti Arc‎‏ כמקור מתח או זרם קבוע וכמאסף זרם. מאסף הזרם מציע שיטה להדמיה ולקביעת פרופיל של סוללות ותרחישי יישומים שונים עד ‎2.5 A‎‏. קצב הדגימה של ה-‎Arc‎‏ הוא ‎4 kS/s‎‏. ניתן להזין אותו במתח מיציאת ה-‎USB‎‏ של המחשב המארח או מספק כוח חיצוני.

התוכנה של ‎Otti Arc‎‏ כוללת את כל התכונות הנדרשות להגדרת התצורה של מקור מדידת הזרם והפעולה של מאסף הזרם, ולתיעוד צריכת הזרם של ה-‎DUT‎‏. באיור 7 מובאת דוגמה של צילום מסך. ציר הזמן מאפשר להגדיל את הגרגיריות של קריאות הזרם, והערך הממוצע של פרופיל הזרם מוצג בחלק העליון של המסך.

איור 7 – התוכנה השולחנית של ‎Otti Arc‎‏ זמינה עבור מערכות ההפעלה ‎Ubuntu Linux‎‏‏, ‎Microsoft Windows‎‏ ו-‎Apple macOS‎‏‏ (מקור: ‎Qoitech‎‏)

פיני ‎GPIO‎‏ זמינים בלוח הקדמי כדי לעקוב אחר מצבים לוגיים ולשלוט על פעולת ה-‎DUT‎‏ לצורכי ניתוח.

קביעת פרופיל ההספק של התכן

כדי למקסם את חיי הסוללה, עליכם להבין היטב את פרופיל צריכת החשמל של המכשיר. הזרם הממוצע שהוא צורך מסייע להעריך את חיי הסוללה, אך שיאים משפיעים באופן ניכר על הממוצע במהלך פעולה רגילה. כדי להתחיל למטב את הקושחה של המכשיר, עליכם לקבוע פרופיל של צריכת הזרם עבור מחזורים מלאים של התנהגות המכשיר. שתי היחידות המתוארות במאמר זה מסוגלות למדוד באופן מדויק ערכי זרם נמוכים במיוחד בטווח דינמי גבוה. הן מסוגלות לתעד את הנתונים שנמדדו, ולשרטט אותם על ציר זמן המסונכרן לקושחה של המכשיר. לאחר ההצטיידות במידע מפורט זה, מפתח המערכות המשובצות ומהנדס החומרה יכולים להתחיל לבחון את הקוד כדי לאתר הזדמנויות להפחית את שיאי הזרם.


מארק פטריק, Mouser Electronics

תגובות סגורות