Gestión inteligente de la energía con Axiomtek

Axiomtek se ha comprometido a proporcionar soluciones fiables de protección eléctrica para sus productos de PC industriales, que se despliegan en entornos de misión crítica para aplicaciones como la vigilancia a bordo del transporte público, la automatización de fábricas o aplicaciones robustas en exteriores, donde los ordenadores de alta fiabilidad son la clave para la continuidad de las operaciones.

Analice los requisitos de su proyecto

Axiomtek se ha comprometido a proporcionar soluciones fiables de protección eléctrica para sus productos de PC industriales, que se despliegan en entornos de misión crítica para aplicaciones como la vigilancia a bordo del transporte público, la automatización de fábricas o las aplicaciones robustas en exteriores, donde unos ordenadores altamente fiables son la clave para la continuidad de las operaciones. En muchos procesos industriales, la continuidad del suministro eléctrico es necesaria 24 horas al día, 7 días a la semana. La fuente de alimentación debe estar regulada y protegida para evitar la pérdida de información importante o costosos tiempos de inactividad, por ejemplo en una línea de producción. Los ordenadores utilizados para controlar las operaciones deben estar preparados para predecir y responder rápidamente a un corte repentino del suministro eléctrico. Muchas de las placas base y sistemas embebidos de Axiomtekofrecen la función IPM para combatir los problemas de fluctuación de energía. La funcionalidad de gestión inteligente de la alimentación (IPM) está integrada en la placa base de la CPU o se ofrece como módulo independiente. En este artículo, nos centraremos en la estructura general del hardware y la funcionalidad de la unidad IPM utilizada en los sistemas empotrados de transporte diseñados por Axiomtek. También mostraremos la facilidad de uso de las utilidades del sistema, por ejemplo, los cambios de configuración a través de la BIOS o el SO.

Gestión inteligente de la energía de los productos tBOX de Axiomtek

Un ejemplo de los productos Axiomtek que contienen el módulo IPM es el tBOX324-894-FL. El módulo está diseñado para gestionar una entrada de alimentación de amplio rango de 9 a 36 V, garantizando al mismo tiempo una alimentación estable y segura de 12 V a la placa base de la CPU. La entrada de alimentación de Axiomtek IPM incluye un pin adicional de entrada Accesorios/Ignición ACC, un pin de interruptor de alimentación estándar utilizado en varias aplicaciones de transporte.

El módulo IPM funciona como se muestra en la Figura 1:

Su capacidad para controlar la tensión y suministrar una alimentación estable de 12 V puede explicarse mediante 3 bloques operativos principales.

1. Bloque de protección de tensión de entrada

En las aplicaciones industriales en las que la tensión de alimentación no es estable o es suministrada por una batería, es importante que el controlador pueda funcionar con una gama más amplia de entradas de tensión que las convencionales y fijas de 12 V o 24 V CC. En la mayoría de las aplicaciones de transporte, la principal fuente de alimentación es la batería. Cuando una batería se descarga con el tiempo, el nivel de tensión empieza a degradarse. En algún momento, dejará de ser capaz de alimentar el sistema. Por eso es importante detectar la inestabilidad de la tensión y predecir el ritmo de descarga de la batería. Con el IPM, se pone en marcha un sistema de alerta para evitar fallos operativos debidos a problemas de inestabilidad de la tensión. El controlador puede predecir el inevitable apagado del sistema. Posteriormente, puede tomar medidas de prevención de pérdidas, como guardar de forma segura los datos importantes y la información creada por todos los programas en ejecución, cerrar los programas y, finalmente, apagar el sistema de forma segura.

El bloque de protección de tensión de entrada puede dividirse en tres sub-bloques principales:

A. Protección contra tensión inversa

La tensión inversa es una preocupación común en las aplicaciones industriales. En muchos casos, la alimentación de entrada puede suministrarse sin los conectores de alimentación estándar a través de cables desnudos reelaborados para encajar en un conector de terminal tipo Phoenix. En una configuración de este tipo, la probabilidad de confundir o mezclar la polaridad de la entrada de alimentación es alta, lo que provoca daños importantes en el sistema y lo inutiliza en cuestión de segundos. Hay varias formas de evitar que esto ocurra. Una protección contra la tensión inversa puede incluir el uso de diodos, un tipo de dispositivo semiconductor pasivo que puede bloquear el flujo de corriente en una dirección; el uso de dispositivos semiconductores activos como los transistores de unión bipolar (BJT); o el uso de transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) que pueden utilizarse para regular el acceso de alimentación del sistema cuando se produce una entrada de tensión inversa. Dependiendo de los requisitos del sistema, la solución puede estar compuesta por un solo diodo, o un MOSFET, o un diodo y unos pocos componentes pasivos. Una solución más compleja puede incluir un controlador de circuito integrado (CI) que regulará la tensión de entrada y bloqueará su acceso al sistema si se detecta una tensión inversa. Esto puede hacerse controlando la tensión de puerta/umbral de los MOSFETS.

B. Protección contra subtensión y sobretensión

La protección contra subtensión y sobretensión se consigue estableciendo límites, detectando los límites superior e inferior y enviando la información al chip controlador de protección eléctrica para que tome las medidas necesarias. Consulte la Figura 2 a continuación para ver un diagrama de bloques de cómo el IC controlador de potencia recibe información sobre la tensión de entrada.

Por ejemplo, el límite de baja tensión se establece en 9V, mientras que el límite de alta tensión se establece en 36V. El voltaje se alimenta a una de las entradas del IC que controla el nivel de bajo voltaje. Si el voltaje de retroalimentación detectado es menor que un cierto nivel de voltaje de referencia dentro del CI (por ejemplo 1.25V), entonces la salida del CI de protección de energía se apagará. La protección contra sobretensión funciona de la misma manera. Por ejemplo, si el voltaje de retroalimentación es mayor a 1.25V, el voltaje de salida del circuito controlador se apagará o no se encenderá.

C. Protección contra sobrecorriente

La protección contra sobrecorriente se logra colocando una resistencia de bajo valor (en el rango de mili ohmios) en serie entre la carga y la tensión de entrada. Ambos extremos de la resistencia Rsense son entradas al amplificador de detección de corriente (véase la Figura 3). Si la corriente a través de la resistencia aumenta el nivel de tensión más allá de la caída de tensión ajustada y la tensión de entrada, o si alcanza el límite máximo definido establecido por el chip controlador - por ejemplo, 50mV, el IC cortará la alimentación del sistema. La cantidad de corriente que se permite pasar depende del valor de la resistencia. Si el valor de la resistencia es de 1 miliOhmio y la tensión máxima de la entrada del amplificador es de 50mV, entonces la corriente permitida será de 50mV/1milliOhmio = 50A. El límite de corriente puede reducirse ajustando la resistencia de detección. Por ejemplo, si el límite de corriente deseado es de 10A, entonces el valor de la resistencia de detección debe cambiarse a 5mOhm: 50mV/5milliOhm = 10A.

2. Bloque MCU

El bloque MCU actúa como el cerebro del módulo IPM. Recibe señales de diferentes bloques que pueden indicar que ciertas acciones han tenido lugar. También puede enviar señales que tendrán significados específicos para los bloques receptores.

Algunas de las señales que recibe la MCU (ver Figura 1) son Input Power OK, ACC Interrupt y Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) señales que pueden cambiar los ajustes del temporizador e indicar a la MCU que se ha guardado información en el ordenador antes de apagarlo. Algunas de las señales que el MCU está comunicando de vuelta son Unidad ON y OFF, Voltaje de Salida (VCC OUT) y comunicaciones al PC vía UART sobre los ajustes del IPM, etc. Los anteriores son sólo ejemplos básicos de cómo funciona el sistema y es posible una comunicación más compleja en el módulo IPM.

La señal de entrada de alimentación OK, recibida desde el bloque de protección de alimentación, suele ser una señal digital ALTA/BAJA que indica que la entrada de alimentación cumple con todos los requisitos de nivel de tensión y corriente del sistema. Si todo está bien con la entrada de alimentación, la MCU enviará una señal digital al regulador de voltaje para permitir la activación de la entrada de alimentación de 12V de la placa base de la CPU. También enviará una señal a la CPU a través de Power Supply On (PSON) para encenderla. El sistema es inteligente con la capacidad de priorizar. Si la señal Input Power OK indica que todo está bien con el voltaje de entrada pero la Interrupción ACC no está en ON, el sistema permanecerá apagado.

La MCU es capaz de indicar a la CPU del sistema a través de la comunicación serie UART que es hora de apagar el sistema. Puede retrasar el proceso de apagado para permitir que la computadora detenga sus acciones en curso y guarde datos importantes antes de apagar el sistema. La propia CPU puede comunicarse con la MCU y cambiar algunos ajustes, como los retardos antes de encender y apagar el sistema.

La MCU se encarga de la gestión de la fuente de alimentación del sistema y desempeña un papel crucial a la hora de proporcionar una gestión segura de la energía al sistema principal.

3. Bloque de regulación de tensión

El bloque de regulación de tensión se utiliza para mantener un nivel de tensión estable y es uno de los bloques más complejos diseñados para proporcionar un nivel óptimo de tensión de salida fija, estable y con bajo nivel de ruido. El objetivo principal del bloque de regulación de tensión es proporcionar una tensión de salida fija, por ejemplo, 12 V, cuando la tensión de entrada varía entre 9 y 36 V. Existen varias topologías, incluyendo Buck, Boost, Buck-Boost, topologías aisladas y no aisladas. El diseño de cada topología de circuito de regulación de tensión requiere diferentes enfoques. El proceso comienza con un diseño esquemático que incluye consideraciones térmicas de disipación de calor, especialmente en sistemas de alta corriente y alta potencia.

UEFI

La PMU de Axiomtek viene con un software que permite al usuario gestionar algunos de los ajustes a través de su BIOS o de interfaces de aplicación in-OS. El proceso requiere una unidad flash USB de arranque con los archivos UEFI cargados antes de arrancar el sistema. Una vez que la unidad USB está lista, el usuario puede conectar la unidad flash al sistema y, a través de la sección de arranque de la configuración de la BIOS, seleccionarla como dispositivo de arranque prioritario. Una vez completado este paso, el usuario puede reiniciar el sistema y hacer que arranque utilizando la unidad USB.

En el modo shell UEFI, introduce PSU.efi y pulsa enter como se muestra en la Figura 4 a continuación:

A continuación, en la configuración de la gestión de energía, se puede encontrar toda la información importante sobre el estado de la fuente de alimentación como se ve a continuación:

Utilice el tabulador para navegar por ambas páginas. En la Configuración de la fuente de alimentación, se pueden realizar algunas modificaciones en parámetros como los niveles de tensión y los tiempos de retardo, etc

Los parámetros de configuración también pueden ser manipulados a través de la utilidad in-OS para Windows. Tras ejecutar el archivo ejecutable, seleccione el puerto COM donde se encuentra la unidad IPM. La ventana de ajustes aparecerá como se ve a continuación y se podrán realizar cambios.

INTERRUPCIÓN ACC - Sistemas de Transporte

La abreviatura ACC proviene de la palabra "Accesorios" y se introdujo por primera vez en los automóviles como una de las posiciones del interruptor de encendido. Cuando se inserta la llave del coche en el interruptor de encendido y se gira hacia la izquierda, se enciende el circuito ACC. Esto permite disponer de alimentación eléctrica para hacer funcionar la radio, los elevalunas y otros accesorios. Sin embargo, no enciende la bomba de combustible del vehículo ni otros controles del motor. La energía de la batería se guarda para utilizarla cuando se arranca el vehículo. En el caso de los vehículos industriales, existe una lista de circuitos periféricos que utilizan la energía de la batería en el modo ACC. En otros campos del transporte industrial, el número de aplicaciones relacionadas puede ser superior al de los vehículos comerciales. Pueden ser necesarios ordenadores adicionales para controlar los dispositivos adicionales, por ejemplo, cámaras, dispositivos de escaneo de billetes, sensores de apertura y cierre de puertas, etc.

Axiomtek conector de alimentación tBOX

Los productos tBOX incluyen el pin ACC en la entrada de alimentación que actúa como interruptor de encendido/apagado. Por ejemplo, en el tBOX324-894-FL la foto de abajo muestra el conector verde tipo Phoenix en la parte inferior izquierda. Es la entrada de alimentación principal. El tBOX324-894-FL puede aceptar un rango de entradas de voltaje de 9 - 36V. Pin + se conecta a voltajes entre 9 y 36V

Pin - suele ser el GND (0V) o el nivel de tensión de referencia más bajo

Pin ACC - el pin del medio es el pin de encendido ACC o el pin G (masa del chasis)

Esto es posible porque en el momento en que la llave del coche se apaga, la energía de la batería todavía está disponible en el conector de alimentación y el tBox no está completamente desconectado de la fuente de alimentación. La unidad de control de potencia tiene tiempo para decirle al ordenador que se apague y entre en el modo de reposo para proteger la batería del drenaje mientras el coche está apagado.

Aplicaciones

Axiomtek ofrece muchas soluciones de alta calidad certificadas para el transporte que cuentan con la función de Gestión Inteligente de la Energía. A continuación se muestran dos ejemplos de aplicaciones para las que la función ayuda a proporcionar estabilidad operativa en entornos de misión crítica.

Axiomtekel tBOX324-894-FL de Applications es uno de los últimos productos introducidos en la línea de productos de sistemas integrados para el transporte (tBOX). Este sistema embebido con certificación para el transporte ofrece la función de protección eléctrica, además de una mayor flexibilidad y capacidad de personalización con una gran variedad de conexiones de E/S. Es compatible con las interfaces de comunicación USB, COM, CAN, Ethernet y E/S digital estándar del sector, y las interfaces de pantalla incluyen VGA y DVI-I. Existen múltiples opciones para el rango de tensión de entrada de alimentación y para los tipos de conector, incluidos Phoenix y M12. Con opciones escalables y potentes de las CPU Intel Core™ i7, i5 o i3 de 7ª generación, la tBOX324-894-FL es eminentemente adecuada para proyectos complejos de misión crítica.

Acerca de Assured Systems

Assured Systems es una empresa tecnológica líder que ofrece soluciones informáticas aplicadas innovadoras y de alta calidad a los mercados embebido, industrial y digital fuera del hogar de todo el mundo. Con sede en Stone, Inglaterra, y oficinas en Norteamérica, nuestro alcance es verdaderamente global. Nuestra impresionante cartera de productos incluye una gama completa de sistemas informáticos integrados sin ventilador, sistemas informáticos de señalización digital y multimedia, paneles PC con pantalla táctil, interfaces hombre-máquina, terminales embarcables, sistemas informáticos de montaje en bastidor, ordenadores monoplaca, portátiles robustos y tabletas.