Современная электроника №4/2025

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 39 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 4 / 2025 инноваций в области IoT и IIoT соста- вит 14,2 триллиона долларов. Однако для того, чтобы этого достиг- нуть, необходимо преодолеть опреде- лённые технические проблемы. Чтобы реализовать потенциал данных техно- логий, необходимо решить ряд ключе- вых проблем, которые в настоящее вре- мя ограничивают функциональность IoT и IIoТ устройств: ● обеспечение электропитанием; ● повышение помехозащищённости ра- диомодулей в микромощномрежиме; ● сокращение габаритов устройств. Настоящая статья посвящена анализу и возможнымметодам решения первой проблемы. При этом акцент делается на промышленные IIoТ-устройства, где она стоит наиболее остро, поскольку сети мониторинга и управления, как пра- вило, являются многоузловыми, и IIoТ- устройства во многих случаях распола- гаются в труднодоступных местах. Способы электропитания IoT- и IIoТ-устройств Автором статьи был проведён ана- лиз научно-технической литературы и интернет-ресурсов по методам обе- спечения электропитания автономных беспроводных устройств. По результа- там этого анализа был проведён отбор и классификация способов энергообе- спечения IoT- и IIoT-устройств с учётом специфики требований к их характе- ристикам. Это, прежде всего, рабочий ресурс, энергопотребление в рабочем и спящем режиме, массогабаритные характеристики. Результаты представ- лены в блок-схеме на рис. 1. Как следует из представленной блок- схемы, все методы электропитания можно условно разделить на две груп- пы: использование автономных элек- трохимических источников и альтер- нативные способы питания. Использование автономных электрохимических источников В настоящее время наиболее распро- странённымметодом электропитания и системами на его основе является пита- ние от электрических батарей и от АКБ. Подобные системы отличаются надёжностью, относительной дешевиз- ной и простотой схемотехники. Но вме- сте с тем они имеют ряд критичных для дальнейшего развития IoT недостатков: ● необходимость периодической заме- ны элементов питания. Как отмечают специалисты, частая замена батарей не является приемлемым решением, поскольку многие приложения Ин- тернета вещей основаны на датчиках, которые установлены в удалённых местах (и, следовательно, отправка инженеров на места для регулярной замены батарей будет затратной); ● ограниченный температурный ди- апазон: недорогие алкалиновые и литиевые батареи имеют темпера- турный диапазон от 0°C до +60°C. Это сильно ограничивает области их по- тенциального применения; ● потенциальная пожароопасность ба- тарей большой ёмкости, особенно на основе лития; ● проблема утилизации батарей и АКБ в конце срока эксплуатации. Частично проблемы регулярной замены источника питания и ограни- чения температурного диапазона рабо- ты решает применение морозостой- ких литий-полимерных АКБ, таких как LP383454LC фирмы EEMB. АКБ это- го типа имеют рабочий температурный диапазон от –40°C до +60°C при ёмкости 720 мА·ч и номинальном напряжении 3,7 В. В устройстве может быть приме- нена микросхема подзарядки АКБ от источников так называемой «свобод- ной» энергии – тепло, свет, вибрация, магнитное поле (требуется близкора- сположенный генератор переменного магнитного поля). Однако это решение имеет ограни- ченное применение из-за существен- ных габаритов литий-полимерных АКБ (типоразмер 3,8×34×54 мм) и высокой стоимости источников данного типа – порядка 500 рублей, при закупочной партии от 100 шт. На рис. 2 представлена приведён- ная в [2] принципиальная электри- ческая схема харвестера (harvester – «сборщик») свободной энергии на базе микросхемы LTC3330 фирмы Linear Technology (США). В качестве первичного преобразовате- ля солнечной энергии здесь выступает панель фотоэлементов (SOLAR PANEL), а преобразователем вибраций являет- ся пьезоэлемент PIEZO MODE. В прин- ципе, если баланс собираемой энергии превышает расходуемую в нагрузке, то можно отказаться от АКБ, подключае- мой к выводу микросхемы BAT. Однако при развёртывании сети тогда потребо- валось бы ожидание в несколько десят- ков минут, а то и часов, пока не будет накоплено достаточно энергии до пер- воначального запуска импульсных пре- образователей напряжения (DC/DC) в микросхеме LTC3330. При проектировании IoT-устройств с электропитанием от батарей или АКБ ключевой задачей является максималь- ное использование энергоресурсов этих небольших источников. Для этого необ- ходимы большие временны́е затраты на составление бюджета энергопотре- бления, чтобы обеспечить максималь- ный срок службы источников, где типичное требование – 10 лет. Для повсеместного внедрения тех- нологий Интернета вещей требуются принципиально новые инновационные технические решения, которые позво- лят полностью отказаться от использо- вания батарей или АКБ, то есть альтер- нативного электропитания. PIEZO MIDE V25W 1µF 6.3V 4.7µF, 6.3V GND LTC3330 AC1 V IN CAP V IN2 BAT OUT[2:0] LDO[2:0] IPK[2:0] UV[3:0] AC2 SW SWA 22µH 22µH SWB V OUT LDO_IN SCAP BAL LDO_EN EH_ON PGVOUT PGLDO LDO_OUT V IN3 3V TO 19V SOLAR PANEL 4.7µF 6.3V PRIMARY CELL 1.8V TO 5.5V 22µF 25V 3 3 3 4 + 1µF 6.3V 22µF 6.3V 1.2V TO 3.3V 50mA 1.8V TO 5V 50mA 10mF 2.7V 10mF 2.7V OPTIONAL 47µF 6.3V + – Рис. 2. Схема преобразования солнечной и механической энергии в электрическую