Кофе, nanoPower и строительные блоки для новой «умной энергии»

Дэвид Эндин (Maxim Integrated)

Как связаны технология приготовлении кофе и принципы построения сверхмалопотребляющих систем nanoPower от компании Maxim Integrated? Где применять эти системы и на каких компонентах Maxim они реализованы? Обо всем этом рассказывает директор по применению группы Core Products компании Maxim.

Вспомним 2011 год, когда поднялся немалый шум вокруг «умной энергии». В Северной Америке предприятия коммунального обслуживания корпели над установкой умных счетчиков. В Бразилии восхищались ANEEL, агентством по регулированию, требующим установки умных счетчиков единого образца по всей стране. В Европе различные предприятия коммунального обслуживания разрабатывали уникальные технологии для реализации линий связи с умными счетчиками.

Всеобщему восхищению «добавляли топлива» различные компании, рекламирующие решения для домашних сетей (Home Area Network, HAN). Картина будущего включала устройства, измеряющие энергопотребление на каждой стиральной машине, сушилке, холодильнике и даже лампочке! Любой прибор привычно связывался бы с домашним роутером через ZigBee, Bluetooth или другой маломощный коммуникационный протокол ближнего действия.

Сейчас, в 2017, умные счетчики установлены в большинстве стран Северной Америки, Европы и Азии. Предприятия коммунального обслуживания следят за использованием мощности и ликвидировали высокооплачиваемые должности контролеров, перемещающихся по окрестностям и вручную записывающих показания каждого счетчика.

Однако взгляд на полный охват сетей «умной энергией» неоднозначен. Измерение энергии на каждой лампочке не было реализовано, в первую очередь – из-за высокой стоимости таких систем в сравнении со стоимостью энергии, потребляемой лампочкой. Падение стоимости энергии в дальнейшем возможно за счет использования малопотребляющих источников света, таких как компактные флуоресцентные лампы и светодиоды. Возможно, мы просто преувеличивали потребность в данных на некоторых уровнях детализации. Однако не стоит отчаиваться: несмотря на то, что один взгляд на «умную энергию» не был воплощен, много преимуществ даст другой взгляд.

Хороший пример – приготовление кофе. Десять лет назад в Северной Америке большинство ресторанов и индивидуальные потребители готовили кофе в стеклянной или керамической кружке, которую затем ставили на горелку. Эта горелка потребляла много энергии, при этом нагревая кофе медленно и разрушая его вкус. Затем кто-то предложил налить кофе в термос, просто поддерживающий тепло внутри самого напитка. Этот шаг перевел процесс приготовления кофе в «офлайн», отключив его от электросети. Более того, на приготовление напитка стало затрачиваться меньше энергии, а его вкус значительно улучшился. Вот хороший пример применения «умной энергии»!

Пример с кофе прекрасно демонстрирует концепции инженерных систем, которые максимизируют производительность и сокращают энергозатраты. Одна из таких концепций – nanoPower.

NanoPower описывает потребление тока различными частями системы в статических состояниях, когда они не работают, но и не полностью отключены. Новейшие устройства, использующие преимущества улучшенной аналоговой КМОП-технологии, работают с наноамперными токами, которые почти невозможно измерить. Основной вклад в энергосбережение вносят, во-первых, цикличность работы этих систем, а во-вторых – децентрализация архитектуры потребления энергии. Ниже рассмотрены три примера устройств и схем, использующих преимущества концепции nanoPower.

Детекторы дыма были в числе первых устройств Интернета вещей (Internet of Things, IoT). При их разработке стояла задача обеспечить работу от батареи в течение примерно 10 лет, что гарантировало бы редкую замену батареи и работу во время отключений электричества. На рисунке 1 показан стандартный современный сигнализатор дыма, содержащий батарею, многоканальный DC/DC-преобразователь, микроконтроллер, блок беспроводной связи, датчик (одного из нескольких возможных типов) и пьезодинамик.

Рис. 1. Типичный современный сигнализатор дыма

Рис. 1. Типичный современный сигнализатор дыма

В таблице 1 приведены примеры значений потребляемого тока для каждого из блоков, построенных на современной элементной базе. В случае оптических датчиков дыма пиковый ток потребления светодиодов будет в диапазоне единиц микроампер, но среднепотребляемое значение тока – ниже, поскольку светодиоды включаются сравнительно нечасто. Во многих сигнализаторах активная схема может проверять воздух только 0,05% от общего времени работы. Это означает, что система работает в статическом режиме в течение 99,95% времени. За исключением беспроводного блока, который может иметь абсолютно иной рабочий цикл, основная схема в режиме полной мощности может потреблять 12,6 мА, а в течение статических периодов, – 5,5 мкА. Таким образом, среднепотребляемый основной схемой ток за секунду составляет 12,6 мA × 0,0005 = 6,3 мкA, а общий среднепотребляемый ток – 11,8 мкА. Любые статические токи выше 1 мкА сокращают время работы батареи. В диапазоне около 10 мкA каждый дополнительный 1 мкА потребляемого тока сокращает время работы батареи емкостью 1500 мА·ч на один год.

Таблица 1. Параметры энергопотребления сигнализатора дыма

Компонент Стандартный потребляемый ток, мА Стандартный статический ток, мкА
Микроконтроллер 10 2,5
Датчик 1 2,5
DC/DC* 1,6 0,5
* – Потребляемая мощность DC/DC рассчитана исходя из выходного тока 15 мА с КПД ~90%.

 

Рис. 2. NanoPower-оконный компаратор, проверяющий напряжение на батарее

Рис. 2. NanoPower-оконный компаратор, проверяющий напряжение на батарее

Другое преимущество концепции nanoPower проявляется в возможности выключать отдельные цепи из системы. В этом типе архитектуры критические подсистемы, такие как мониторинг батарей и часы реального времени, остаются включенными, в то время как основные потребители мощности, такие как микроконтроллер и беспроводной блок, либо выключаются, либо переводятся в энергосберегающий режим. На рисунке 2 приведена схема nanoPower-оконного компаратора, следящего за напряжением батареи. Компаратор сигнализирует, когда напряжение батареи становится выше или ниже допустимых значений, обеспечивая оценивающую функцию и потребляя при этом около 900 нА. По существу, это пример архитектуры «умной энергии» — сохраняется столько энергии, сколько возможно при отключении специфических цепей и продолжении работы функциональных.

Последний пример – это схема питания от розетки или батареи, известная как источник питания на ORing-диодах. В таких источниках питания грамотные разработчики ставят диод Шоттки последовательно с батареей, чтобы уменьшить падение напряжения и тем самым – потери энергии на диоде, при этом попутно защищая цепь (рисунок 3). Например, на новом MAX40200, разработанном компанией Maxim, падение напряжения составляет всего 85 мВ при токе 1 А, а стандартное падение напряжения – 43 мВ при токе 500 мА.

Рис. 3. Падение напряжения на MAX40200 - всего 85 мВ при протекании тока 1 А

Рис. 3. Падение напряжения на MAX40200 — всего 85 мВ при протекании тока 1 А

Производительность MAX40200 в 2…4 раза выше, чем у стандартного диода Шоттки. Это позволяет сэкономить десятки и сотни милливатт мощности батареи, что представляет собой пример правильного движения в «умном» направлении.

Как все это соотнести с кофе? Просто, как и в приведенном примере с напитком, архитектура постепенно меняется. Различные подсистемы по существу отключены от центрального процессора и работают лишь периодически, значительно сокращая энергопотребление. Улучшенные цифровая и аналоговая схемотехника позволяют этим строительным блокам потреблять беспрецедентно мало. Новое направление «умной энергии» – больше чем просто измерение параметров и каналы связи. Новая умная энергия – это архитектура смарт-систем в сочетании с высококачественными компонентами для увеличения надежности системы и времени ее работы от батареи. Это позволит применять системы nanoPower в новых областях.

Оригинал статьи.

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX40200AUK+T (MAX)
MAX40200AUK (MAX)
MAX40200EVKIT# (MAX)
MAX40200AUK+ (MAX)
MAX40200ANS (MAX)
MAX40200ANS+T (MAX)
MAX40200AUK+T/2500 pcs (MAX)