IoT機器のバッテリの電力効率を大幅に向上させる方法
記事A626036：Suryash Rai氏提供（ADIプロダクトアプリケーションエンジニア）
概要
本稿では、IoT（Internet of Things）機器の省電力化について考えてみたいと思います。ナノパワーシッピングモードとスリープモードの重要な役割に焦点を当てる前に、まずバッテリ管理について簡単に復習します。最後に、バッテリ管理におけるこれら2つの側面をより最適化することで、従来の方法よりも消費電力レベルと基板面積を削減した新しいソリューションを提供します。
はじめに
インターネットでつながっている世界において、IoTはさまざまなセンサノードを接続し、データを安全なサーバに送信することで重要な役割を担っています。IoTアプリケーションの効率を上げるために、パワーマネジメントは注目すべき分野の1つです。
多くのアプリケーションでは、センサノード（データ収集装置）は遠隔地に置かれ、バッテリから電力が供給されます。バッテリの寿命は、センサノードの電力戦略をいかに効率的に設計するかにかかっています。センサノードは、ほとんどの場合、スリープモードで待機し、データ取得が必要なときだけアクティブモードに切り替わります。これらのデバイスのデューティサイクルは低いものとなります。
バッテリ寿命を最大化するためには、IoTアプリケーションのスリープ電流を改善する必要があります。
IoT機器におけるパワーマネジメントの基礎知識
一般的なIoTシステムでは、図1に示すように、無線センサノードはほとんどがバッテリ駆動であるため、本質的にバッテリ寿命により制約されます。センサノードの寿命を最大限に延ばすためには、パワーマネージメントが重要です。センサノードの省電力化には、DC（Duty Cycle、デューティサイクル）という考え方が一般的です。センサノードでは、オーバーヒアリングとアイドルリスニングがエネルギー浪費の主な原因であるため、無線センサノードの消費電力を3つの領域で評価することができます。
- センサ
- マイクロコントローラ
- ワイヤレスデバイス
センサは、温度や湿度などの生データを収集し、このデータをマイクロコントローラに送ります。マイクロコントローラは生データを処理し、このデータを無線リンクを使用してクラウドまたはデータセンターに送信します。しかし、一般的なセンサアプリケーションは、非常に低いデューティサイクル（0.01%から1%の範囲）で動作し、ほとんどの時間アイドル状態であることを考えると、センサノードのスリープ電流が超低レベルの電力管理方式を採用することは、バッテリの寿命を延ばすことになります。センサノードが土壌の水分を測定し、1時間に1回だけデータを収集するスマート灌漑システムは、そのようなアプリケーションの一例です。
図1. IoTシステムの代表的なブロック構成図
シッピングモードとスリープモードの重要な役割とは？
シッピングモードとスリープモードは、バッテリ駆動のIoTデバイスでよく使われる専門用語で、IoTアプリケーションにおける電源管理の重要な要素です。シッピングモードは、製品の出荷段階でバッテリを長持ちさせるナノパワー状態です。シッピングモードでは、バッテリをシステムの他の部分から電気的に切り離し、製品がアイドル状態または未使用の間の電力消費を最小限に抑えます。プッシュボタンを使用して、シッピングモードを解除し、機器の通常動作を開始します。
アクティブな状態になった後は、スリープモードでバッテリを長持ちさせます。スリープモードでは、システムのすべての周辺機器がシャットダウンされるか、必要最小限の電力で動作します。IoTデバイスは定期的に起動し、特定のタスクを実行した後、スリープモードに戻ります。
無線センサノードの様々な周辺機器を無効にすることで、異なるスリープモードを実現することができます。例えば、モデムスリープでは、通信ブロックのみ無効化されます。ライト（低）スリープモードでは、通信ブロック、センサブロックおよびデジタルブロックなどほとんどのブロックが無効化され、ディープ（高）スリープモードでは、無線センサノードの電源が完全に落とされます。
センサノードでディープスリープモードを有効にすると、バッテリ寿命を最大化できます。したがって、ディープスリープ電流を最適化することが、全体のバッテリ寿命を向上させる唯一の方法となります。
IoTアプリケーションでディープスリープモードを実現するためのデューティサイクル法
IoTモジュールのデューティサイクルは、ディープスリープモードを有効にするための一般的な手法です。無線センサノードのディープスリープ中は、ほとんどの周辺機器がオフまたはシャットダウンモードになり、新たにナノアンペア電流が消費されるだけです。リアルタイムクロック（RTC）のような計時装置は、プログラムされたタイムアウト後にIoTモジュールを目覚めさせます。この技術では、システムがディープスリープモードにある間、マイクロコントローラは完全にオフになっています。しかし、復帰後は、必ず起動ブート時間が発生し、好ましくない遅延が加わります。このトレードオフを考えると、提案する原理の影響は、各ノードの特性やアプリケーションのデューティサイクルに依存することになります。
ディープスリープモードとシッピングモードの従来の解決策：RTC、ロードスイッチおよびプッシュボタンコントローラを用いた方法
従来は、無線センサノードの電源オン/オフにロードスイッチとRTCを使用していました。この方式では、ロードスイッチとRTCのみが作動し、全体の静止電流はナノアンペアまで減少します。スリープ時間は、無線センサノード内のマイクロコントローラでプログラムすることができます。
外部のプッシュボタン式コントローラをロードスイッチに接続することで、シッピングモード機能を有効にすることができます。外部プッシュボタンを押すと、シッピングモードが終了し、無線センサノードが通常動作に入ります。
図2．ディスクリートソリューションのブロック図
ディープスリープとシッピングモードの改善策
MAX16163 / MAX16164は、オン/オフコントローラおよびプログラム可能なスリープ時間を備えたAnalog Devicesのナノパワーコントローラです。このデバイスは、出力をゲートするためのパワースイッチを内蔵しており、最大200mAの負荷電流を供給します。 MAX16162 / MAX16163を、従来のロードスイッチ、RTCおよびバッテリフレッシュネスICから置き換えることで、BOM数の削減とコストダウンを実現します。無線センサノードユニットは、MAX16162 / MAX16163を介してバッテリに接続されています。スリープ時間は、マイクロコントローラでプログラムするか、PB/SLPからグランドへの外部抵抗、またはマイクロコントローラからのI²Cコマンドで設定することが可能です。外部プッシュボタンは、デバイスのシッピングモードを終了するために使用されます。
図3．MAX16163を使用した統合ソリューション
ソリューションの性能比較
両方式の性能比較は、IoTアプリケーションのデューティサイクルに依存します。デューティサイクルの小さいアプリケーションでは、スリープ電流はIoTデバイスが動作しているときのシステムの効率を示す指標となり、シャットダウン電流はシッピングモードの消費電力を示す指標となります。ソリューションのモードを実証するために、業界最小の静止電流RTC MAX31342、バッテリフレッシュネスシール MAX16150および小型ロードスイッチTPS22916を選びました。IoTアプリケーションのスリープ時間を設定するI²C通信を使ってRTCをプログラムし、タイマが切れると割り込み信号でMAX16150のPBINピンをプルダウンし、OUTをハイにしてロードスイッチをオンにします。スリープ時間中は、TPS22916、MAX31342およびMAX16150のみがパワーシステムの電力を消費します。
表1．従来型ソリューションの各ブロックの消費電流
| 機能ブロック | 品番 | スリープ電流 （nA）（Typ） |
シャットダウン電流 （nA）（Typ） |
|---|---|---|---|
| RTC | MAX31342 | 150 | 6 |
| ロードスイッチ | TPS22916 | 10 | 10 |
| バッテリフレッシュネス | MAX16150 | 10 | 10 |
| 総システム電流（Typ） | 170 | 26 |
図4．ディスクリートソリューションの回路図
この実験では、従来のソリューションとMAX16163を使用した改善されたソリューションの性能を比較して、固定デューティサイクルの下で2つの最新技術の寿命を評価します。
バッテリの寿命は、平均負荷電流とバッテリ容量から計算することができます。
平均負荷電流は、システムのデューティサイクルを用いて計算することができます。
アクティブ電流とは、無線センサノードがアクティブであるときのシステム電流のことです。2つのソリューションを比較するために、システムが2時間に1回起動し、特定のタスクを実行し、その後スリープモードに入ると仮定してみましょう。システムのアクティブ電流は5mAです。バッテリ寿命は、動作のデューティサイクルによって異なります。図5は、0.005%から0.015%まで異なるデューティサイクルを持つ2つの方式のバッテリ寿命をプロットしたものです。
図5．無線センサノードのバッテリ寿命とデューティサイクルの関係を示すグラフ
表2．2種類のソリューションの比較
| 仕様 | MAX31342、MAX16150およびTPS22916 を使用したディスクリートソリューション |
統合ソリューション MAX16163 |
|---|---|---|
| コイン電池の容量 | 250 mAh | 250 mAh |
| シャットダウン電流 | 146 nA | 30 nA |
| スリープ電流 | 170 nA | 10 nA |
| ICの数 | 3 (RTC + load switch + battery freshness) | 1 (MAX16163) |
| 水晶発振器 | Required | Not required |
| ソリューションサイズ | 130 mm² (typical) | 50 mm² (typical) |
以上、爆発的に普及するIoT機器の中で、バッテリの電力管理が重要な役割を担っていることを取り上げました。シッピングモードとスリープモードを最適化することが、バッテリ効率を向上させる最良の方法の1つであることを実証しました。ADIのMAX16163ソリューションは、それらの機能をより正確に制御した設計を可能にします。これにより、バッテリ寿命を約20%延長し（図5の典型的な0.007%デューティサイクル動作の場合）、ソリューションサイズを従来比で約60%に削減することに成功しました。
著者紹介
Suryash Raiは、2016年からアプリケーションエンジニアとしてAnalog Devicesに勤務し、保護ICのポートフォリオをサポートしています。 Karnataka国立工科大学Surathkal校で通信工学の修士号を取得しました。現在、カリフォルニア州サンノゼに住んでおり、料理や旅行、新しい友人に会うことを楽しんでいます。