Se prevé que la cantidad de dispositivos IoT conectados saltar a 125 mil millones para 2030. Esto no es difícil de creer, ya que el gasto global en IoT alcanzó los $ 745 mil millones en 2019. En este contexto, los diseñadores de electrónica están bajo presión para optimizar los diseños, especialmente en lo que respecta a la duración de la batería.
En este artículo, Dunstan Power, Director de ByteSnap Design, ofrece información sobre las consideraciones clave para diseñar sistemas de radio inalámbricos de baja potencia.
El acto de equilibrio
Reducir el consumo de energía de un dispositivo mientras se intenta lograr el nivel deseado de funcionalidad es uno de los aspectos más desafiantes del diseño de bajo consumo. Todos los dispositivos inalámbricos de bajo consumo disponibles actualmente son el resultado de un exitoso acto de equilibrio, en el que los desarrolladores han sopesado sus prioridades y han hecho una serie de compromisos que han dado como resultado un dispositivo que funciona.
Diseño de software
Las elecciones del sistema realizadas al comienzo de un proyecto dictan lo que se puede lograr. Se recomienda diseñar para baja potencia desde el principio, siendo la primera consideración el tipo de radio a desplegar. La elección es amplia, desde radios de corto alcance, como ZigBee, Thread, Bluetooth y Wi-Fi, hasta radios de baja potencia de largo alcance, incluidos LoRa, SigFox y Weightless, y sistemas de radio celular.
Algunas longitudes de onda de radio se propagan mucho mejor que otras, lo que significa una mayor eficiencia energética. Las frecuencias más bajas tienden a propagarse mejor que las frecuencias más altas, pero el compromiso es que la velocidad de datos potencial se reduce. Las frecuencias más altas tienden a cubrir distancias más cortas, pero tienen mayor ancho de banda y velocidades de transmisión más rápidas. Cuanto más tiempo necesiten viajar las señales de distancia, más lenta será la velocidad que puede utilizar en general.
También considere la topología del sistema de radio: esto puede aumentar la eficiencia y la velocidad del sistema cuando se administra correctamente. Las topologías en estrella son ideales cuando el dispositivo maestro no funciona con batería y puede administrar la carga de la red por sí solo. Alternativamente, donde todos los dispositivos son de baja potencia, una red de malla con múltiples repetidores podría ser más adecuada.
La elección del microcontrolador suele ser sencilla y un diseñador normalmente tendrá una familia / fabricante con la que esté familiarizado. La mayoría de los procesadores pequeños en estos días (basados en PIC, AVR, ARM) tienen modos de bajo consumo que pueden usarse para disminuir la energía requerida durante el funcionamiento. Dependen de una interrupción para despertarlos de nuevo. Muchos de estos también tienen un sistema de activación rápida para mantener el tiempo al mínimo y así reducir la energía utilizada.
La gama de conexiones inalámbricas de baja potencia significa que la elección de la batería varía en cada proyecto. Sin embargo, cuando el sistema de radio requiere ráfagas de corriente poco frecuentes, o la batería necesita ser recargable, las opciones a menudo se limitan rápidamente.
Las hojas de datos del fabricante de la batería pueden ayudar, pero la mayoría mostrará curvas de descarga de la batería basadas en un consumo de corriente constante y, por lo general, en un consumo de corriente más alto que el que utilizaría un sistema de baja potencia. Se debe utilizar alguna interpolación para averiguar qué sucederá en un sistema de baja potencia.
Además, los sistemas de radio como este tienden a usar una potencia mínima mientras duermen y luego requieren grandes pulsos de corriente cuando están despiertos para recibir y transmitir. Algunas baterías no son adecuadas para esto.
Los factores ambientales también afectan la elección de la batería y su uso. Un ambiente frío reducirá el voltaje de la batería y la vida útil total de la batería del dispositivo. Las altas temperaturas también pueden afectar negativamente a algunas baterías.
En consecuencia, el proceso de selección de la batería es iterativo. Para encontrar el mejor candidato, vale la pena probar algunos tipos que se ajusten a las especificaciones. Esta tabla muestra algunas características de algunos tipos de baterías comunes:
Tipo de Propiedad | Voltaje de la celda | Densidad de energia | Rango de temperatura de descarga típico (° C) | Vida útil en espera | Recargable? | Corriente maxima |
iones de litio | 3.6 | Alta | 0 – 50 | Baja | Sí | Alta |
Alcalinidad | 1.5 | Alta | -18 - 55 | Alta | No | Medio |
NiMH | 1.2 | Baja | -20 - 65 | Baja | Sí | Alta |
Celda de moneda de litio | 3 | Baja | -30 - 60 | Alta | No (normalmente) | Baja |
LiSoCl2 | 3 | Alta | -80 - 125 | Muy Alta | No | Alta |
Una vez que se ha elegido la batería, se debe determinar un punto de corte. Para los sistemas de energía ultrabaja en general, se requiere precaución adicional con los componentes cuyo rendimiento cambia con el voltaje. Las pantallas LCD y los LED, por ejemplo, tienen baterías que pueden disminuir tanto que el contraste desaparece o los LED se apagan. Para obtener la mejor experiencia de usuario, debe asegurarse de que el voltaje de la batería con el que trabaja sea suficiente para mantenerlos operativos.
Si el sistema requiere un voltaje de entrada (cuando se alcanza el punto de corte cuando las baterías aún tienen capacidad útil, por ejemplo, si un sistema de 3V nominal corta a 2.5V), entonces puede ser necesario un regulador de refuerzo. Sin embargo, hay compromisos a considerar al hacer esto:
· ¿A qué voltaje se debe configurar el regulador?
· ¿Cuál es la eficiencia del regulador y cómo varía con el voltaje de entrada?
· ¿Qué sucede cuando la tensión de entrada es superior a la tensión ajustada, es decir, cuando se instalan baterías nuevas?
· ¿La energía desperdiciada por el regulador debido a ineficiencias anula cualquier ganancia de capacidad?
· ¿Podría un convertidor elevador utilizar completamente la capacidad de la batería descargándola a un voltaje por debajo del cual el sistema se apagaría?
Diseño de hardware
Minimice las dominadas y otros consejos de diseño
El diseño del sistema de radio inalámbrico de baja potencia requiere atención a detalles que se ignoran fácilmente en dispositivos donde el consumo de energía no es importante.
Con los sistemas normales alimentados por la red, no tiene que preocuparse por elementos como la fuga de corriente a través de resistencias pull-up. En sistemas de baja potencia, ese consumo de energía puede convertirse en un problema. Ahí es donde entran algunos de los compromisos:
Sintoniza la antena
Incluso si el alcance es importante en el diseño, recuerde sintonizar la antena. Al hacerlo, los ingenieros pueden minimizar la potencia de transmisión necesaria para lograr el rango deseado.
Capacidad de respuesta y tiempo de vigilia
Un dispositivo inalámbrico de baja potencia debe alcanzar un estado "útil" rápidamente. El tiempo entre que el usuario toca la pantalla y el sistema responde es el tiempo en el que la luz de fondo está encendida y consume energía, lo que puede ralentizar el tiempo de respuesta. Por lo general, hay uno o más componentes dedicados a activar el procesador principal y simplemente apagar el dispositivo no es un método útil para ahorrar energía de la batería.
Sincronización
Muchos dispositivos de radio de baja potencia se comunican entre sí para recibir datos o instrucciones. Para que esto suceda, es fundamental que el receptor esté encendido para recibir la información. Ambos extremos deben estar sincronizados y permanecer sincronizados, pero recomendamos minimizar el uso del receptor requerido para esto.
En los sistemas en los que se comunican dos dispositivos alimentados por batería, ambos entrarán en modos de baja potencia / suspensión para preservar la vida útil de la batería. Por lo tanto, no se garantiza que los datos pasen o se reciban sin corrupción, por lo que se han desarrollado varios protocolos, como la detección de errores y los reconocimientos, para combatir esto.
Cuidado con la variación de temperatura
Cada dispositivo activo del sistema utiliza algún tipo de reloj. Estos pueden variar con la temperatura, lo que significa que es clave tener en cuenta los factores ambientales que podrían provocar diferencias de tiempo entre los dispositivos activos. Es vital que se tenga en cuenta la deriva al diseñar el sistema, ya que puede conducir a un aumento en el consumo de energía de la batería.
Minimizar la potencia TX
No aumente innecesariamente la potencia de salida más allá de lo necesario: si el enlace de radio solo tiene que alcanzar los diez metros, es poco probable que se requiera una potencia de salida de 5 dB.
Pulsos de transmisión cortos
Cuando el transmisor está encendido, una radio de baja potencia está en su estado de potencia máxima. Por lo tanto, tiene sentido minimizar eso a tiempo. Esto significa reducir la cantidad de datos que se transmiten.
Para minimizar el tiempo del receptor, la atención se centra en la cantidad de datos a transmitir y con qué se está comunicando. Si el sistema necesita estar encendido constantemente, el tiempo del receptor n se puede minimizar, ya que el ingeniero ya sabe que el sistema está encendido y puede transmitir en cualquier momento.
Actualización de los sistemas de radio
Hay dos formas de actualizar un sistema de radio: manualmente, que implica ingresar a cada unidad y actualizar, y por aire (OTA), donde la radio misma actualiza el código dentro de la unidad. Las actualizaciones de OTA son generalmente mucho más eficientes, sin embargo, existe una mayor posibilidad de que algo salga mal. Por lo tanto, las cajas de seguridad son vitales para garantizar que el sistema continúe funcionando.
Prueba por lotes
Con dispositivos de baja potencia que funcionan con baterías, puede estar operando justo por debajo del límite del rendimiento del componente. Con dispositivos activos como los FET, en los que depende de una caída de voltaje baja, siempre habrá una diferencia en las características del dispositivo que puede afectar el rendimiento.
Vale la pena realizar pruebas por lotes para garantizar que cualquier variación no comprometa el funcionamiento del dispositivo. Para evitar dolores de cabeza durante la producción en masa, vale la pena simular algunos de los aspectos de diseño más simples utilizando un simulador SPICE, como los extremos de temperatura y voltaje.
Y recuerde: la experiencia y las expectativas del usuario son consideraciones vitales. Un ingeniero podría diseñar un sistema de potencia increíblemente bajo que no satisfaga al usuario final porque puede esperar que responda mucho más rápido de lo que realmente lo hace. Aquí es donde realmente ocurre el acto de equilibrio, pero con las tecnologías disponibles y los ingenieros experimentados, los compromisos son posibles.
(Foto por mika baumeister on Unsplash)
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Fuente: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
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