Utiliser un microcontrôleur à récupération d'énergie pour éliminer le remplacement des batteries IoT

Les concepteurs de dispositifs Internet des objets (IoT) autonomes sont constamment à la recherche de meilleurs moyens d'alimenter ces dispositifs afin de minimiser les temps d'arrêt dans les applications grand public, commerciales ou industrielles. Les batteries primaires nécessitent une surveillance constante et, lorsqu'elles sont remplacées, elles posent un problème d'élimination important. Les piles rechargeables permettent de résoudre le problème de l'élimination, mais les dispositifs doivent être démontés, rechargés et remontés.

Les limites des approches traditionnelles ont entraîné un intérêt accru pour les techniques de récupération d'énergie où l'énergie ambiante est utilisée pour alimenter un dispositif. Le problème pour les concepteurs est que les circuits requis pour la récupération d'énergie et la recharge des batteries peuvent accroître de manière significative la complexité, la taille et le coût de conception.

Cet article présente brièvement les arguments en faveur de l'utilisation de la récupération d'énergie dans les applications IoT et décrit certains des défis auxquels les concepteurs sont confrontés. Il présente ensuite une approche qui permet de surmonter ces défis en intégrant des circuits de récupération d'énergie et de gestion de la charge batterie à un microcontrôleur (MCU). En utilisant des exemples de solutions de dispositifs et de cartes d'évaluation associées de Renesas, l'article montre comment appliquer cette approche pour éliminer efficacement le remplacement des batteries dans les dispositifs IoT.

Pourquoi utiliser la récupération d'énergie pour l'IoT ?

La récupération d'énergie est une solution intéressante pour les applications IoT telles que les systèmes de capteurs sans fil basse consommation, où elle permet de déployer des dispositifs entièrement sans fil n'exigeant que peu ou pas de maintenance. En général, ces dispositifs nécessitent encore une batterie rechargeable ou un supercondensateur pour répondre aux demandes d'alimentation de crête.

En principe, en récupérant l'énergie ambiante, le système peut utiliser un dispositif de stockage d'énergie plus petit et étendre sa durée de vie utile. Par conséquent, la conception IoT qui en résulte peut potentiellement s'intégrer dans un boîtier plus petit, à condition que la fonctionnalité de récupération d'énergie ajoute peu de composants à la conception. Dans la pratique, cependant, le besoin de composants supplémentaires pour mettre en œuvre la récupération d'énergie fait échouer les tentatives de réduction de l'empreinte de conception.

Le problème est qu'une source d'alimentation de récupération d'énergie nécessite généralement des dispositifs séparés pour récupérer l'énergie ambiante et garantir une gestion de charge appropriée pour un dispositif de stockage d'énergie comme une batterie rechargeable ou un supercondensateur. Ajoutée à la conception d'un système sans fil déjà minimaliste comprenant un microcontrôleur, un capteur et un émetteur-récepteur radiofréquence (RF), cette fonctionnalité supplémentaire peut transformer une conception simple avec peu de composants en une conception relativement complexe (Figure 1).

Figure 1 : L'utilisation de la récupération d'énergie dans les dispositifs IoT peut libérer les utilisateurs des problèmes de maintenance des batteries, mais les exigences ajoutées résultent généralement en des dispositifs plus grands, une complexité de conception accrue et des coûts plus élevés ; tous ces éléments vont à l'encontre des exigences d'une conception IoT autonome. (Source de l'image : Renesas)

Minimiser les composants pour les conceptions IoT

À ce jour, un grand nombre des divers composants nécessaires à la récupération d'énergie ont été intégrés dans des modules spécialisés et des circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) comme les dispositifs LTC3105/LTC3107 d'Analog Devices, le S6AE101A de Cypress Semiconductor, le MCRY12-125Q-42DIT de Matrix Industries, et bien d'autres. Ces dispositifs fournissent un rail de tension régulée à partir d'une cellule solaire, d'un générateur thermoélectrique (TEG), d'un transducteur de vibration piézoélectrique ou d'une autre source d'énergie. En tant que tels, ils peuvent servir d'alimentation de récupération d'énergie complète pour la conception matérielle IoT de base. Néanmoins, les concepteurs doivent repousser les limites pour répondre aux exigences des applications et conserver ou atteindre un avantage concurrentiel.

La gamme de microcontrôleurs RE01 de Renesas aide à atteindre ces objectifs en poussant plus loin l'approche d'intégration en incluant un contrôleur de récupération d'énergie (EHC) dans le dispositif. En effet, un microcontrôleur RE01 peut utiliser son contrôleur EHC intégré pour recharger une batterie secondaire tout en alimentant le reste du dispositif. Plus qu'un simple dispositif de récupération d'énergie, le RE01 inclut son contrôleur EHC avec un cœur Arm® Cortex®-M0+ de 64 mégahertz (MHz), une mémoire Flash sur puce, un bloc de propriété intellectuelle sécurisée (TSIP), un convertisseur analogique-numérique (CAN) 14 bits, des temporisateurs et de multiples interfaces périphériques (Figure 2).

Figure 2 : Créée pour simplifier la conception de dispositifs alimentés par batterie, la gamme de microcontrôleurs RE01 de Renesas combine un contrôleur de récupération d'énergie complet avec un cœur de processeur Arm Cortex-M0+ basse consommation, une mémoire Flash sur puce et de multiples périphériques et interfaces. (Source de l'image : Renesas)

Conçu pour simplifier l'implémentation de dispositifs IoT alimentés par batterie, le RE01 intègre un ensemble complet de fonctionnalités périphériques pertinentes. En plus du CAN et des interfaces série pour l'intégration de capteurs, le dispositif inclut un circuit de commande de variateur moteur (bloc « MTDV » dans la Figure 2) capable de commander jusqu'à trois moteurs ; une source de courant constant capable de commander trois diodes électroluminescentes (LED) externes ; et un générateur d'impulsions basse vitesse (LPG). Pour la sortie d'affichage, le microcontrôleur RE01 intègre un accélérateur graphique pour le traitement d'images bidimensionnelles (2D) ainsi qu'un contrôleur d'affichage à cristaux liquides (LCD) MIP (Memory-In-Pixel). Pour les besoins de contrôle en temps réel, le microcontrôleur inclut également une horloge de surveillance, une horloge temps réel (RTC) et un circuit de correction d'horloge (CCC) maintenant la précision de l'horloge. Pour le code logiciel et les données, la gamme RE01 combine les fonctionnalités mentionnées ci-dessus dans les dispositifs membres, y compris le R7F0E015D2CFP (RE01 1500 Ko) avec 1500 kilo-octets (Ko) de Flash, et le R7F0E01182CFM (RE01 256 Ko) avec 256 Ko de Flash.

En plus de ses capacités fonctionnelles, le microcontrôleur RE01 offre de nombreuses options pour trouver l'équilibre requis entre performances et consommation d'énergie. Le microcontrôleur peut s'exécuter dans plusieurs modes de fonctionnement qui minimisent la consommation d'énergie en réduisant la fréquence de fonctionnement de son taux maximum de 64 MHz à 32,768 kilohertz (kHz) en mode de faible courant de fuite, avec des fréquences intermédiaires en mode de fonctionnement normal de 32 MHz ou 2 MHz. En fonctionnement normal, le R7F0E015D2CFP RE01 1500 Ko ne consomme généralement que 35 microampères par mégahertz (µA/MHz) de courant actif et seulement 500 nanoampères (nA) de courant de veille à 1,62 volt (V). Son CAN 14 bits ne consomme que 4 µA, et les réécritures de programmation Flash ne nécessitent qu'environ 0,6 milliampère (mA). Tout en fournissant l'alimentation pour ces opérations normales, le contrôleur EHC du microcontrôleur RE01 intègre un vaste ensemble de capacités destinées à faciliter la mise en œuvre de la récupération d'énergie et de la gestion des batteries.

Le contrôleur de récupération d'énergie intégré simplifie la conception

Grâce à leur contrôleur EHC intégré, les microcontrôleurs RE01 font de l'implémentation de la récupération d'énergie une opération plutôt routinière. Les développeurs n'ont qu'à connecter un élément générateur d'énergie, tel qu'une cellule solaire, un générateur thermoélectrique ou un transducteur de vibration, directement aux broches VSC_VCC et VSC_GND du microcontrôleur. Lorsque l'énergie ambiante suffisante est disponible, le contrôleur EHC peut commander les broches de sortie du microcontrôleur pour charger une batterie secondaire (VBAT_EHC), un condensateur de stockage (VCC_SU) et d'autres dispositifs externes (Figure 3).

Figure 3 : Le contrôleur de récupération d'énergie intégré du microcontrôleur RE01 de Renesas permet aux développeurs de tirer rapidement profit de la récupération d'énergie. (Source de l'image : Renesas)

La simplicité de conception résulte de l'ensemble des blocs fonctionnels contenus dans le microcontrôleur RE01, comme illustré à la Figure 4.

Figure 4 : Le contrôleur de récupération d'énergie intégré du microcontrôleur RE01 de Renesas inclut toutes les fonctionnalités nécessaires à l'utilisation d'un élément générateur d'énergie pour produire les sorties de tension requises. (Source de l'image : Renesas)

En plus de ses blocs fonctionnels, le contrôleur EHC fournit plusieurs circuits de surveillance de la tension ainsi que de multiples registres d'état et de commande pour orchestrer la distribution d'énergie. Par exemple, un indicateur d'état d'élément générateur d'énergie (ENOUT) indique si cet élément produit de l'énergie. Inversement, un indicateur de surveillance de cible de charge (CMPOUT) indique si la tension de charge est appliquée à la batterie secondaire ou au condensateur de stockage. Chacune de ces fonctionnalités joue un rôle lorsque le contrôleur EHC passe par les états opérationnels associés au démarrage, au fonctionnement normal et à l'épuisement de la batterie (Figure 5).

Figure 5 : En utilisant des moniteurs de tension internes, des indicateurs d'état et des registres, le contrôleur de récupération d'énergie intégré du microcontrôleur RE01 de Renesas prend en charge toute la séquence de charge, de la charge initiale à l'épuisement. (Source de l'image : Renesas)

Lorsqu'un élément générateur d'énergie est connecté au microcontrôleur, le contrôleur EHC entre dans la période de charge initiale. Ici, le contrôleur EHC permet à l'énergie de circuler vers VCC_SU, en chargeant le condensateur de stockage jusqu'à ce que le niveau de tension sur VCC_SU dépasse un niveau de tension de seuil spécifique, VCC_SU_H. À ce stade, le contrôleur EHC utilise alors le condensateur de stockage pour commencer à fournir de l'énergie au domaine système, VCC. Lorsque VCC dépasse la tension de seuil de mise sous tension (VPOR), le signal de réinitialisation à la mise sous tension passe à l'état haut, sortant le dispositif de la réinitialisation et amenant simultanément ENOUT à l'état haut, indiquant que l'élément générateur d'énergie est actif.

Une fois la réinitialisation à la mise sous tension terminée, le registre de commande de charge VBAT_EHC du contrôleur EHC, VBATCTL, est défini sur 11b, ce qui permet au dispositif de commencer à charger la batterie secondaire. En fait, pendant cette période, le contrôleur EHC alterne sa sortie de charge entre la batterie secondaire et le condensateur de stockage pour maintenir l'alimentation VCC pendant que la batterie est en charge. Lorsque la tension du condensateur de stockage tombe en dessous d'un niveau de tension de seuil inférieur, VCC_SU_L, le contrôleur EHC commute l'alimentation sur VCC_SU jusqu'au seuil supérieur VCC_SU_H, auquel point il recommence à charger la batterie secondaire. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que la tension de l'accumulateur sur VBAT_EHC atteigne le seuil VBAT, VBAT_CHG (Figure 6).

Figure 6 : Même une fois que le contrôleur de récupération d'énergie intégré du microcontrôleur RE01 de Renesas a commencé à charger la batterie du dispositif, le contrôleur EHC continue à maintenir la charge sur le condensateur de stockage, qui fournit l'alimentation du système VCC jusqu'à ce que la batterie soit complètement chargée. (Source de l'image : Renesas)

Une fois la batterie chargée, le bit QUICKMODE est défini, ce qui fait que le contrôleur EHC entre en état de fonctionnement stable. Dans cet état, le contrôleur EHC continue de charger la batterie depuis l'élément générateur d'énergie, tout en fournissant simultanément l'énergie de la batterie au domaine VCC.

Si l'énergie ambiante diminue et que l'élément générateur d'énergie cesse de fournir de l'énergie, le contrôleur EHC continue de fournir VCC à partir de la batterie. Enfin, le moniteur de tension interne détecte que VBAT_EHC est tombé en dessous d'un seuil prédéfini, V_det1, et le bit QUICKMODE est remis à zéro. Une fois ce bit activé, l'alimentation du domaine VCC est coupée et les registres EHC sont initialisés. Une réduction supplémentaire de VCC en dessous de V_POR entraîne la réinitialisation du signal de réinitialisation à la mise sous tension. Pour reprendre le fonctionnement, le dispositif doit donc effectuer la séquence de charge initiale une fois que l'énergie ambiante a atteint des niveaux suffisants.

Le kit d'évaluation facilite le prototypage rapide

Bien que le contrôleur EHC intégré du RE01 élimine le recours à des composants supplémentaires, pour utiliser ses fonctionnalités, les développeurs doivent encore configurer le dispositif et exécuter la série d'opérations prescrites mentionnées ci-dessus. Pour aider les développeurs à passer rapidement au prototypage rapide et au développement personnalisé avec la gamme RE01, Renesas fournit les kits d'évaluation prêts à l'emploi RTK70E015DS00000BE et RTK70E0118S00000BJ pour les dispositifs RE01 1500 Ko et RE01 256 Ko, respectivement. Le kit RE01 1500 Ko offre une plateforme de développement clés en main qui inclut la carte de microcontrôleur RE01 1500 Ko (Figure 7), une carte d'extension LCD, un panneau solaire et un câble USB. Outre le microcontrôleur RE01, la carte de développement comprend un supercondensateur de stockage, un connecteur pour une batterie rechargeable externe, des commutateurs, des LED, un débogueur embarqué et de multiples connecteurs d'interface, dont un connecteur Arduino Uno.

Figure 7 : Le kit d'évaluation RE01 1500 Ko de Renesas inclut une carte de microcontrôleur RE01 1500 Ko avec un débogueur embarqué et de multiples options d'interface pour faciliter l'évaluation, le prototypage et le développement personnalisé. (Source de l'image : Renesas)

En plus de la plateforme de développement matériel fournie dans le kit d'évaluation, Renesas propose un ensemble complet de progiciels conçus pour fonctionner dans l'environnement de développement intégré (IDE) Embedded Workbench d'IAR Systems, ou dans l'IDE e² Studio de Renesas. Reposant sur le pack de pilotes CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard) d'Arm, le logiciel utilise des constructions logicielles familières aux développeurs de code pour les processeurs basés sur Arm.

Peut-être plus important encore, les routines d'exemple dans les progiciels de Renesas fournissent un modèle exécutable pour le développement de logiciels personnalisés. Par exemple, l'implémentation de la séquence de fonctionnement du contrôleur EHC illustrée à la Figure 5 requiert une série de procédures d'initialisation pour minimiser la consommation d'énergie pendant les étapes clés telles que la charge initiale et la charge de la batterie secondaire. Une routine de démarrage fournie avec le logiciel d'exemple démontre chacune de ces procédures d'initialisation et de configuration. Mieux encore, Renesas offre aux développeurs un moyen clair d'utiliser cette routine de démarrage pour modifier les paramètres selon les besoins et insérer leur propre code logiciel dans la séquence de démarrage (Figure 8).

Figure 8 : Inclus dans la distribution logicielle de Renesas, un code d'exemple pour démarrer les capacités de récupération d'énergie du microcontrôleur RE01 montre chaque étape requise, tout en soulignant où les développeurs peuvent modifier les paramètres ou insérer leur propre code logiciel. (Source de l'image : Renesas)

Grâce au kit d'évaluation de Renesas et aux progiciels associés, les développeurs peuvent rapidement explorer les différents modes de fonctionnement du microcontrôleur RE01 et évaluer les méthodes de récupération d'énergie. Cet environnement leur fournit ensuite une plateforme efficace pour le prototypage rapide de leur propre application et le développement personnalisé.

Conclusion

La récupération d'énergie offre une solution efficace pour réduire la taille des batteries et étendre leur durée de vie dans les systèmes basse consommation tels que les dispositifs IoT, mais cette approche peut accroître considérablement la taille, la complexité et le coût de la conception globale. Une approche plus intégrée est nécessaire.

La gamme de microcontrôleurs de Renesas intègre plusieurs blocs fonctionnels et périphériques, et inclut un sous-système de récupération d'énergie sur puce complet permettant de rationaliser et de simplifier la conception d'un système de récupération d'énergie. En utilisant les cartes de développement et les logiciels associés, les développeurs peuvent rapidement évaluer, prototyper et créer des conceptions personnalisées capables de tirer pleinement parti des avantages de la récupération d'énergie avec de petits dispositifs à moindre coût.