Le nuove architetture di alimentazione delle serrature intelligenti aumentano notevolmente la durata della batteria riducendo il consumo energetico in standby del sistema.
La gestione dell’alimentazione è una sfida impegnativa in qualsiasi prodotto Internet of Things (IoT) per la casa intelligente. Se l’utente sperimenta troppi tempi di fermo della serratura a causa delle batterie scariche o si stanca di cambiare le batterie troppo frequentemente, probabilmente sceglierà di non utilizzare più il prodotto. Ciò è particolarmente vero per le serrature elettroniche intelligenti (smart e-locks) per porta. Quando una serratura non funziona correttamente, il risultato è frustrante: non è piacevole non poter entrare in ufficio, casa o nella stanza d’albergo. Questo genere di dispositivo è caratterizzato sia dalla richiesta di corrente elevata del circuito wireless (comune a tutti i dispositivi IoT che funzionano via radio), sia dalla elevata corrente di picco assorbita dal motore che controlla la serratura stessa. Inoltre, le serrature elettroniche intelligenti rimangono inattive per la stragrande maggioranza della giornata: il tempo in cui bloccano o sbloccano la porta è molto breve. Questa combinazione di brevi ma elevate richieste di corrente di picco e tempi di standby del sistema molto lunghi e a basso consumo richiedono nuove architetture di alimentazione per prolungare la durata della batteria.
Panoramica del sistema
Sebbene i sistemi e-lock intelligenti possano contenere molti circuiti integrati (IC), dai controlle per LED ai sistemi di comunicazione Wi-Fi, questo documento si concentra specificamente su questi tre circuiti integrati:
- microcontrollore con connettività wireless, come Bluetooth LE;
- l’IC di controllo motore;
- l’IC per la gestione dell’alimentazione.
In questo documento, il termine “eventi” si riferisce al blocco o allo sblocco della porta quando il motore è attivo. Ad esempio, il blocco della porta d’ingresso e il successivo sblocco della stessa conta come due eventi separati. Ventiquattro eventi al giorno sono comunemente usati per confrontare le prestazioni di diverse serrature elettroniche.
Microcontrollore wireless
In una smart e-lock, di solito il dispositivo microcontroller (MCU) wireless comunica con il telefono dell’utente per bloccare e sbloccare la porta a distanza. Per fare ciò senza alcun ritardo evidente, il microcontrollore wireless deve essere acceso per inviare periodicamente un segnale (advertising event) per poi essere riportato nello stato di standby. Il consumo di corrente è molto più basso in standby, di solito dell’ordine di qualche microampere (µA). Una corrente così bassa consente una lunga durata della batteria. L’advertising event (da non confondere con gli eventi di blocco/sblocco) si verificano quando il microcontrollore wireless si sveglia periodicamente per trasmettere brevi informazioni identificative e ascoltare le richieste di connessione in arrivo da dispositivi peer (ad esempio uno smartphone). Il periodo degli advertising event nei dispositivi Bluetooth LE nella maggior parte dei casi è programmabile da 20 ms a 10,24 secondi. Più lungo è il periodo, più tempo è necessario per una connessione ma minore è il consumo energetico. Un periodo di 500 ms tra gli advertising event rappresenta un buon equilibrio tra consumo energetico e velocità di connessione. La Figura 1 mostra la forma d’onda del consumo di corrente di un tipico microcontrollore wireless con comunicazione Bluetooth a basso consumo energetico [1]. I valori predefiniti per i consumi di corrente del CC2640 sono mostrati nella Figura 1. I grafici nella Figura 6 e nella Figura 7 (vedi più avanti) utilizzano lo scenario peggiore di 9,1 mA di corrente nello stato atttivo e 2,5 µA di corrente di standby. Questi valori vengono utilizzati per la massima potenza di uscita. Poiché il periodo dell’evento è programmabile, i due valori più importanti da ricercare nella scelta di una radio Bluetooth LE, in termini di consumo energetico, sono le correnti nello stato attivo (durante un advertising event) e di standby.
L’intervallo della tensione di alimentazione dell’MCU wireless CC2640 a basso consumo Bluetooth SimpleLink è compreso tra 1,8 V e 3,8 V. In questa nota applicativa verranno utilizzati 2,5 V per consentire un facile confronto tra le diverse configurazioni.
Figura 1. Consumo di corrente in funzione dello stato di funzionamento di un dispositivo Bluetooth LE.
Il motore della serratura
Tutti i dispositivi smart e-lock necessitano di un motore e del relativo driver per ruotare la serratura elettronica in entrambe le direzioni (blocco e sblocco) in modalità wireless e senza una chiave fisica. Il profilo del motore è diverso per ogni tipo di serratura, perché la quantità di coppia necessaria per girare la serratura varia a seconda del produttore e del tipo di serratura. Generalmente la corrente richiesta durante l’evento di blocco/sblocco è di circa 1 ampere. Ci sono differenti fonti di dissipazione nei driver del motore, ma la fonte più significativa è la resistenza di accensione dei suoi MOSFET. Negli integrati driver, si ottiene la massima efficienza con una resistenza di ON molto bassa. Il driver motore, come il DRV8833, deve funzionare con la stessa fonte di alimentazione della serratura elettronica e del motore. La tensione di funzionamento del driver del motore è in genere di circa 5 V.
Gestione dell’alimentazione
La gestione dell’alimentazione è necessaria per convertire la tensione della batteria nelle tensioni richieste da ciascuna sezione: microcontrollore wireless, driver del motore e altri sottosistemi. La gestione dell’alimentazione aggiunge costi, dimensioni e inefficienza al sistema. Pertanto, è importante progettare l’intero sistema tenendo presente le problematiche legate all’alimentazione: la gestione dell’alimentazione deve funzionare insieme a ciascun sottosistema.
L’efficienza della gestione dell’alimentazione è fondamentale per le prestazioni dell’intero sistema, specialmente in un’applicazione IoT connessa come una serratura elettronica. Questa efficienza è importante durante la fase di attivazione con la rotazione del motore e la connessione wireless, ma è fondamentale anche quando il sistema è in modalità standby, assorbendo pochi microampere (µA) di corrente. Essere efficienti sia con carichi leggeri che pesanti è impegnativo, e richiede circuiti integrati appositamente progettati.
La gestione dell’alimentazione è strettamente legata al tipo di batterie utilizzate. La scelta del tipo, del numero e della configurazione della batteria va di pari passo con l’architettura di alimentazione del sistema. Le batterie alcaline formato AA sono ampiamente utilizzate nelle serrature intelligenti grazie alla loro ampia disponibilità e al basso costo. La tensione media pdi una cella AA è di circa 1,25 V, sebbene la loro tensione vari da meno di 1 V quando è completamente scarica a 1,6 V quando è nuova. Con quattro celle AA, si ottengono oltre quattro anni di durata della batteria [2].
Mentre molte serrature smart utilizzano nella sezione di alimentazione regolatori lineari a basso drop-out (LDO), a scapito dell’efficienza, è possibile una gestione dell’alimentazione più moderna ed economicamente vantaggiosa in grado di raddoppiare la durata della batteria con un costo aggiuntivo minimo. I convertitori switching DC/DC, sia boost (a volte chiamati step-up) che buck (a volte chiamati step-down), offrono una maggiore efficienza e una corrispondente maggiore durata della batteria rispetto alle soluzioni con LDO.
Regolatore lineare
Le quattro batterie AA sono collegate nella configurazione 4s1p (quattro celle in serie per una cella parallela) per creare una tensione di alimentazione di 5 V per alimentare il motore. Così è necessario solo un semplice driver del motore per accendere o spegnere il motore senza alcuna gestione aggiuntiva dell’alimentazione.
In questo modo, il sottosistema motore funziona con un’efficienza prossima al 100%.
Gli LDO riducono la tensione della batteria a tensioni più basse. Un LDO viene utilizzato per convertire la batteria da 5 V nei 2,5 V richiesti dal microcontrollore wireless.
Qualsiasi LDO che converte da 5 V a 2,5 V presenta una efficienza massima del 50 percento, con un’efficienza molto inferiore in modalità standby a causa della corrente di riposo dell’LDO (a volte chiamata ground current) [3]. Ad esempio, il TPS76625 è adatto per convertire la tensione di quattro batterie AA a 2,5 V. Questo dispositivo raggiunge il 50 percento di efficienza in presenza di carico elevato, ma solo il due percento di efficienza con un carico in standby di 1,2 µA per effetto della sua corrente di riposo di 35 µA. L’efficienza molto bassa si traduce in un consumo energetico relativamente elevato quando la serratura intelligente è in standby, riducendo la durata della batteria. La Figura 2 mostra un tipico diagramma a blocchi di un sistema basato su LDO.
Figura 2. Schema a blocchi di smart e-lock che utilizza un LDO e quattro celle AA collegate in serie.
Convertitore boost
Per superare la bassa efficienza dell’LDO in modalità standby, la configurazione della batteria viene riorganizzata e viene utilizzato un convertitore boost. In questa architettura di alimentazione, l’MCU wireless si collega direttamente al pacco batteria, che è configurato come 2s2p (due serie e due celle parallele). Poiché vengono ancora utilizzate quattro celle, il costo e l’energia disponibile sono gli stessi del caso precedente. Ma poiché ci sono solo due celle in serie, la tensione totale del pacco batteria è di soli 2,5 V, una combinazione perfetta per l’MCU wireless. In questo modo, la connessione è efficiente al 100%. Tuttavia, il motore richiede ancora 5 V per funzionare. Dalla batteria da 2,5 V è perciò necessario utilizzare un convertitore boost. Un tipico convertitore boost, come il TPS61030, ha un’efficienza di circa l’85% quando viene utilizzato per azionare un motore. A causa dell’efficienza e del rapporto boost (dove la tensione di uscita è maggiore della tensione di ingresso), il convertitore boost assorbe correnti molto elevate dalla batteria che aumentano le perdite. La Figura 3 mostra un tipico diagramma a blocchi di un sistema basato su boost.
Figura 3. Schema a blocchi Smart e-lock che utilizza un convertitore boost e quattro celle AA in configurazione 2s2p.
Figura 4. Schema a blocchi Smart e-lock che utilizza un convertitore buck e quattro celle AA collegate in serie.
Convertitore Buck
Utilizzando la stessa architettura di alimentazione del sistema LDO, viene utilizzato ora un convertitore buck al posto dell’LDO per aumentare l’efficienza. Con il microcontrollore wireless in funzione, il convertitore buck, come un TPS62745, è efficiente al 90%. Il sottosistema motore mantiene un’efficienza quasi del 100% perché è collegato direttamente al pacco batteria. La Figura 4 mostra un tipico diagramma a blocchi di un sistema buck. Un convertitore buck standard ha una corrente di riposo (IQ) relativamente grande. L’alta IQ riduce drasticamente l’efficienza in modalità standby come nel caso dell’DO [3]. Tuttavia, il convertitore buck a bassissima potenza utilizzato in questo esempio ha una IQ ultra bassa, progettata specificamente per le applicazioni IoT, che hanno correnti di picco più elevate e lunghi tempi di standby del sistema. La Figura 5 mostra che l’IQ ultra-basso consente un’efficienza superiore al 67% alle correnti di carico tipiche in modalità standby con una tensione di uscita di 2,5 V.
Figura 5. L’efficienza di un convertitore buck a bassissima potenza rimane elevata, anche con carichi molto bassi.
Confronto tra architetture di gestione dell’alimentazione
L’efficienza dell’architettura di alimentazione è fondamentale per prolungare la durata della batteria delle serratura smart.
La gestione dell’alimentazione è necessaria per convertire la tensione della batteria in quella richiesta da ciascun sottosistema, ma consuma parte dell’energia della batteria per funzionare.
La figura 6 mostra tre grafici relativi al consumo energetico nei tre casi trattati durante una tipica giornata di funzionamento. Le percentuali mostrano quanto del budget energetico totale del sistema viene utilizzato per ciascuno dei tre sottosistemi e i grafici a barre mostrano il consumo energetico totale in ciascuna architettura di alimentazione. Nei calcoli vengono utilizzati un advertising event di 500 ms e 24 eventi di blocco/sblocco al giorno. Per la rappresentazione grafica, la dimensione complessiva di ciascun areogramma è proporzionale alla potenza totale utilizzata per ciascuna delle tre architetture di gestione dell’alimentazione: più grande è la torta, maggiore è la quantità di energia consumata.
L’altezza di ciascun grafico a torta mostra anche il consumo energetico totale.
Consumo energetico giornaliero con 24 eventi di blocco/sblocco e advertising event Bluetooth LE di 500 ms.
Figura 6. Consumo energetico giornaliero totale e a livello di sottosistema delle tre architetture di alimentazione.
La Figura 7 confronta tutte le tre architetture di alimentazione con il numero di eventi di blocco/sblocco sull’asse x e il numero di anni di durata della batteria sull’asse y. Per molte applicazioni, che hanno meno di 36 eventi al giorno, entrambe le architetture buck e boost offrono un miglioramento della durata della batteria rispetto all’architettura LDO. Per i sistemi di eventi di blocco/sblocco più elevati, l’architettura buck è ancora la migliore, ma l’architettura boost diventa peggiore dell’architettura LDO a causa della maggiore quantità di potenza del motore richiesta per più eventi.
Figura 7. Durata della batteria rispetto all’architettura di alimentazione e numero di eventi al giorno.
Conclusione
Le nuove architetture di alimentazione nei dispositivi connessi IoT, come le serrature intelligenti, consentono una durata della batteria molto più elevata rispetto alle attuali implementazioni basate su LDO. Un convertitore di alimentazione a commutazione, boost o buck, aumenta la durata della batteria per le serrature intelligenti con meno di 36 eventi di blocco/sblocco al giorno. Un convertitore buck a bassissima potenza raddoppia la durata della batteria per i sistemi con pochi eventi, mentre raddoppia la durata della batteria in caso di un maggior numero di eventi. L’IQ ultra basso di un tale convertitore buck è fondamentale per l’estensione della durata della batteria, aumentando notevolmente l’efficienza durante le lunghe fasi di standby. I progettisti di prodotti IoT connessi dovrebbero dare un’altra occhiata alle loro architetture di gestione dell’alimentazione per assicurarsi che i loro prodotti raggiungano una durata ottimale della batteria.
Riferimenti
[1] Joakim Lindh, Christin Lee, and Marie Hernes Measuring Bluetooth Low Energy
Consumption, Texas Instruments Application Report (SWRA478), December 2016
[2] Smart e-lock Reference Design Enabling 5+ Years Battery Life on 4× AA Batteries, TI
Design (TIDA-00757)
[3] Chris Glaser. IQ: What it is, what it isn’t, and how to use it, TI Application Note (SLYT412), 2Q11
[4] Product folders: CC2640, DRV8833, TPS76625, TPS61030, TPS62745
A cura di Chris Glaser, Member Group Technical Staff, Applications Engineer, Low Power DC/DC Texas Instruments & Aramis P. Alvarez, Applications Engineer, Building Automation
Texas Instruments.
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