ここに秘密はありません。IoT対応デバイスは、家庭、工場、企業でますます一般的になっています。フォームファクタの小型化、効率性の向上、電流消費の改善、充電時間の短縮など、顧客は次世代の製品に対して多くの要望を持っています。この記事では、Analog Devicesの最新のバッテリ管理テクノロジが、将来のポータブル デバイスのパフォーマンスを最適化するためにどのように役立つかについて説明します。
IoTとは何ですか?
この特定のIoTアプリケーション領域には、さまざまな形態があります。これは通常、バッテリー駆動で、事前に計算されたデータをクラウドベースのインフラストラクチャに送信する、ネットワークに接続されたスマートな電子デバイスを指します。プロセッサ、通信IC、センサーなどの組み込みシステムを組み合わせて使用し、データを収集、応答し、ネットワーク内の中央ポイントまたは他のノードに送り返します。これは、室温を中央監視エリアに報告する単純な温度センサーから、非常に高価な工場設備の長期的な健全性を追跡する機械健全性モニターまで、あらゆるものになり得ます。
結局のところ、これらのデバイスは、ホームオートメーションやビルオートメーションなど、通常は人間の介入を必要とするタスクを自動化することや、産業用IoTアプリケーションの場合は機器の使いやすさと寿命を向上させること、さらには橋梁などの構造ベースのアプリケーションに実装された状態ベースの監視アプリケーションを考慮すると安全性を向上させることなど、特定の課題を解決するために開発されています。
アプリケーション例
IoTデバイスの応用分野はほぼ無限であり、新しいデバイスやユースケースが日々考えられています。スマートトランスミッターベースのアプリケーションは、設置されている環境に関するデータを収集し、熱の制御、アラームの起動、特定のタスクの自動化などを決定します。さらに、ガスメーターや空気質測定システムなどのポータブル機器は、クラウドを通じて制御センターに正確な測定値を提供します。GPS追跡システムも別のアプリケーションです。スマート耳タグにより、輸送コンテナや牛などの家畜を追跡できるようになります。これらは、クラウドに接続されたデバイスのほんの一部にすぎません。その他の分野には、ウェアラブルヘルスケアやインフラストラクチャセンシングアプリケーションが含まれます。
大きな成長分野は産業用IoTアプリケーションであり、これはスマート ファクトリーが中心となる第4次産業革命の一部です。最終的には、無人搬送車 (AGV)、RFタグや圧力計などのスマート センサー、工場周辺に配置されたその他の環境センサーの使用を通じて、工場のできるだけ多くの部分を自動化しようとする幅広いIoTアプリケーションがあります。
ADIの観点から見ると、IoTの重点は次の5つの主要領域に置かれています。
- スマート ヘルス - 臨床レベルと消費者向けアプリケーションの両方でバイタル サイン モニタリング アプリケーションをサポートします。
- スマート ファクトリー - 工場の応答性、柔軟性、効率性を高めることで、インダストリー4.0の構築に重点を置いています。
- スマート ビルディング/スマート シティ - 建物のセキュリティ、駐車スペースの占有検出、熱および電気の制御にインテリジェント センシングを使用します。
- スマート農業 - 利用可能なテクノロジーを活用して、農業の自動化と資源利用の効率化を実現します。
- スマート インフラストラクチャ - 状態ベースの監視テクノロジーを基盤として、動きと構造の健全性を監視します。
IoT設計の課題
成長を続けるIoTアプリケーション分野で設計者が直面する主な課題は何でしょうか?これらのデバイス、つまりノードのほとんどは、事後的に設置されるか、アクセスが困難な場所に設置されるため、電源を供給することは不可能です。もちろん、これは電源としてバッテリーやエネルギー収集に完全に依存していることを意味します。
大規模な施設内で電力を移動するには、かなりの費用がかかります。たとえば、工場内のリモートIoTノードに電力を供給することを検討します。このデバイスに電力を供給するために新しい電源ケーブルを配線するというのはコストも時間もかかるため、これらのリモート ノードに電力を供給するための残りの選択肢は基本的にバッテリー電源またはエネルギー ハーベスティングになります。
バッテリー電源に依存すると、バッテリーの寿命を最大限に延ばすために厳しい電力予算に従う必要があり、当然ながらデバイスの総所有コストに影響を及ぼします。バッテリー使用のもう一つの欠点は、バッテリーの寿命が切れた後にバッテリーを交換する必要があることです。これには、バッテリー自体のコストだけでなく、古いバッテリーを交換し、場合によっては廃棄するための人件費の高額なコストも含まれます。
バッテリーのコストとサイズに関する追加の考慮事項として、寿命要件 (多くの場合10年を超える) を達成するのに十分な容量を確保するために、バッテリーを過剰に設計してしまうことが非常に簡単です。ただし、過剰設計はコストとサイズの増加につながるため、設計要件を満たす最小のバッテリーを搭載するために、電力予算を最適化するだけでなく、可能な限りエネルギー使用量を最小限に抑えることが非常に重要です。
IoTの力
この電力に関する議論では、IoTアプリケーションの電源は次の3つのシナリオとして考えられます。
- 充電できない電池（一次電池）で動く機器
- 充電式電池を必要とする機器
- エネルギーハーベスティングを利用してシステム電源を供給するデバイス
これらのソースは個別に使用することも、アプリケーションで必要な場合は組み合わせて使用することもできます。
一次電池の用途
皆さんは、非充電式電池アプリケーションとしても知られるさまざまな一次電池アプリケーションをご存知でしょう。これらは、電力がたまにしか使用されないアプリケーション向けです。つまり、デバイスは時々電源が投入され、その後ディープ スリープ モードに戻り、最小限の電力しか消費しません。これを電源として使用する主な利点は、高いエネルギー密度と、バッテリー充電/管理回路を組み込む必要がないため設計がシンプルになること、およびバッテリーが安価で必要な電子機器が少ないためコストが低くなることです。これらは低コストで低消費電力のアプリケーションに適していますが、これらのバッテリーには寿命があるため、消費電力が少し高いアプリケーションには適していません。そのため、交換用バッテリーのコストと、バッテリーを交換するために必要なサービス技術者のコストの両方が発生します。
多数のノードを持つ大規模なIoTインストールを検討してください。技術者が現場で1つのデバイスのバッテリーを交換するため、人件費を節約するためにすべてのバッテリーが一度に交換されることがよくあります。もちろん、これは無駄であり、地球全体の廃棄物問題をさらに悪化させるだけです。さらに、充電できない電池は、そもそも製造に使用された電力の約2% しか供給しません。約98% のエネルギーが無駄になるため、非常に非経済的な電源となります。
明らかに、これらはIoTベースのアプリケーションに適しています。初期コストが比較的低いため、低電力アプリケーションに最適です。さまざまなタイプとサイズが用意されており、充電や管理に追加の電子機器をあまり必要としないため、シンプルなソリューションです。
設計の観点から見ると、重要な課題は、これらの小さな電源から得られるエネルギーを最大限に活用することです。そのためには、バッテリーの寿命を最大限に延ばすための電力予算計画の作成に多くの時間を費やす必要があり、一般的な寿命目標は10年です。
一次電池アプリケーションの場合、当社のナノパワー製品ファミリの2つの部品、LTC3337ナノパワー クーロン カウンターとLTC3336ナノパワー バック レギュレータ (図1参照) を検討する価値があります。
図1. LTC3337およびLTC3336アプリケーション回路。
LTC3336は、最大15 Vの入力で動作し、ピーク出力電流レベルをプログラム可能な低電力DC/DCコンバータです。入力は2.5 Vまで下げることができるため、バッテリー駆動のアプリケーションに最適です。
無負荷で調整中の静止電流は65 nAと非常に低くなっています。DC-DCコンバータとしては、新しい設計でセットアップして使用するのは非常に簡単です。出力電圧は、OUT0 ～ OUT3ピンの接続方法に基づいてプログラムされます。
LTC3336の関連デバイスは、ナノパワー一次電池の健康状態モニターおよびクーロンカウンターであるLTC3337です。これは、新しい設計で使用するのが簡単なもう1つのデバイスです。必要なピーク電流 (5 mA ～ 100 mAの範囲) に応じてIPKピンをストラップするだけです。選択したバッテリーに基づいていくつかの計算を実行し、データシートに記載されている選択したピーク電流に基づいて推奨出力キャップを入力します。
結局のところ、これは電力予算が限られているIoTアプリケーション向けの素晴らしいデバイスの組み合わせです。これらの部品は、一次電池からのエネルギー使用量を正確に監視し、出力を使用可能なシステム電圧に効率的に変換することができます。
充電式バッテリーの用途
充電可能なアプリケーションに移りましょう。これらは、一次電池の交換頻度が考慮されない、高電力または高ドレインのIoTアプリケーションに適しています。充電式バッテリー アプリケーションは、バッテリーと充電回路の初期コストがかかることから、実装コストが高くなりますが、バッテリーの放電と充電が頻繁に行われる高放電アプリケーションでは、コストは正当化され、すぐに回収されます。
使用される化学物質によっては、充電式バッテリーのアプリケーションでは、一次電池よりも初期エネルギーが低くなる可能性がありますが、長期的にはより効率的なオプションであり、全体的に無駄が少なくなります。電力ニーズに応じて、コンデンサまたはスーパーコンデンサストレージという別のオプションもありますが、これらは短期のバックアップストレージ向けです。
バッテリーの充電には、使用される化学物質に応じて、いくつかの異なるモードと専門的なプロファイルが関係します。たとえば、リチウムイオン電池の充電プロファイルを図2に示します。下部には電池電圧があり、縦軸には充電電流があります。
図2. 充電電流対バッテリー電圧。
図2の左側のように、バッテリーが極度に放電されている場合、充電器は、定電流モードに入る前にバッテリー電圧を安全なレベルまでゆっくりと上げるために、バッテリーをプリチャージ モードに切り替えられるほど賢くなければなりません。
定電流モードでは、充電器はバッテリー電圧がプログラムされたフロート電圧まで上昇するまで、プログラムされた電流をバッテリーに流します。
プログラムされた電流と電圧はどちらも、使用されるバッテリーの種類によって定義されます。充電電流はCレートと必要な充電時間によって制限され、フロート電圧はバッテリーにとって安全なものに基づきます。システム設計者は、システムで必要な場合、フロート電圧を少し下げてバッテリーの寿命を延ばすことができます。電力に関するすべてのことと同様に、すべてはトレードオフです。
フロート電圧に達すると、充電電流がゼロに低下し、この電圧が終了アルゴリズムに基づいて一定時間維持されることがわかります。
図3は、3セル アプリケーションの時間の経過に伴う動作を示す別のグラフです。バッテリー電圧は赤で表示され、充電電流は青で表示されます。定電流モードで開始し、バッテリー電圧が12.6 Vの定電圧しきい値に達するまで2 Aで最大になります。充電器は、終了タイマーによって定義された時間（この場合は4時間）の間、この電圧を維持します。この時間は多くの充電器部品でプログラム可能です。
図3.充電電圧/電流対時間。
図4は、最大3.2 Aの充電電流を供給でき、ポータブル機器や大型バッテリーやマルチセル バッテリーを必要とするアプリケーションなど、さまざまなアプリケーションに適した、多用途の降圧バッテリー チャージャーLTC4162の優れた例を示しています。太陽光からの充電にも使用できます。
図4. LTC4162、3.2 A降圧バッテリ チャージャ。
エネルギーハーベスティングアプリケーション
IoTアプリケーションとその電源を扱う場合、検討すべきもう1つのオプションはエネルギー収集です。もちろん、システム設計者には考慮すべき点がいくつかありますが、特に電力要件がそれほど厳しくなく、設置に手間がかからない、つまりサービス技術者がアクセスできないアプリケーションの場合、フリー エネルギーの魅力は過小評価できません。
選択できるエネルギー源は多種多様であり、それらを活用するために屋外での使用に限定されるわけではありません。太陽光だけでなく、圧電エネルギーや振動エネルギー、熱電エネルギー、さらにはRFエネルギーも収集できます (ただし、電力レベルは非常に低くなります)。
図5は、さまざまな収穫方法を使用した場合のおおよそのエネルギー レベルを示しています。
図5. さまざまな用途に利用できるエネルギー源とおおよそのレベル。
デメリットとしては、ソーラーパネル、圧電受信機、ペルチェ素子などの収集要素、およびエネルギー変換ICと関連する有効化コンポーネントが必要になるため、前述の他の電源と比較して初期コストが高くなります。
もう1つの欠点は、特にコイン型電池などの電源と比較した場合の全体的なソリューションのサイズです。エネルギーハーベスターと変換ICで小型のソリューションを実現するのは困難です。
効率の面では、低いエネルギーレベルを管理するのは難しい場合があります。これは、電源の多くがACであるため、整流が必要になるためです。これにはダイオードが使用されます。設計者は、固有の特性から生じるエネルギー損失に対処する必要があります。入力電圧を上げるとこの影響は軽減されますが、常にそれが可能であるとは限りません。
ほとんどのエネルギー ハーベスティングに関する議論で頻繁に取り上げられるデバイスは、ADP509x製品ファミリとLTC3108です。これらのデバイスは、複数の電源パスとプログラム可能な充電管理オプションを備え、幅広いエネルギー ハーベスティング ソースに対応できるため、設計の柔軟性が最大限に高まります。さまざまなエネルギー源を使用してADP509xに電力を供給できますが、その電源からエネルギーを抽出してバッテリを充電したり、システム負荷に電力を供給したりすることもできます。IoTノードに電力を供給するために、太陽光 (屋内と屋外の両方) から、ウェアラブル アプリケーションの体温やエンジンの熱から熱エネルギーを抽出する熱電発電機まで、あらゆるものを使用できます。もう1つのオプションは、圧電源からエネルギーを収集することです。これにより、柔軟性がさらに高まります。これは、たとえば、稼働中のモーターから電力を抽出するのに適したオプションです。
図6. 収穫アプリケーションにおけるADP5090のブロック図。
圧電ソースから電力を供給できる別のデバイスはADP5304です。これは非常に低い静止電流 (無負荷で標準260 nA) で動作するため、低電力のエネルギー ハーベスティング アプリケーションに最適です。データシートには、圧電ソースから電力を供給され、ADCまたはRF ICに電力を供給するために使用される、一般的なエネルギー ハーベスティング アプリケーション回路 (図7を参照) が示されています。
図7. ADP5304圧電ソースアプリケーション回路。
エネルギー管理
電力予算が限られているアプリケーションに関する議論で考慮すべきもう1つの領域は、エネルギー管理です。これは、さまざまな電力管理ソリューションを検討する前に、アプリケーションの電力予算計算を作成することから始まります。この重要なステップは、システム設計者がシステムで使用される主要なコンポーネントと、それらに必要なエネルギー量を理解するのに役立ちます。これは、電源供給方法として一次電池、充電式電池、エネルギーハーベスティング、またはこれらの組み合わせを選択するという決定に影響します。
IoTデバイスが信号を収集し、それを中央システムまたはクラウドに送り返す頻度は、エネルギー管理を検討する際のもう1つの重要な詳細であり、全体的な電力消費に大きな影響を与えます。一般的な手法としては、電力使用量をデューティサイクルで制御したり、データを収集および/または送信するためにデバイスを起動する間隔を長くしたりすることが挙げられます。
各電子機器のスタンバイ モード (利用可能な場合) を利用することも、システムのエネルギー使用量を管理する際に便利なツールとなります。
結論
すべての電子アプリケーションと同様に、回路の電力管理部分をできるだけ早く考慮することが重要です。これは、IoTなどの電力が制限されるアプリケーションではさらに重要です。プロセスの早い段階で電力予算を作成することで、システム設計者は、これらのアプリケーションがもたらす課題に対応する最も効率的なパスと適切なデバイスを特定し、小さなソリューション サイズで高いエネルギー効率を実現できるようになります。
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