Power management con il modulo Rigado serie R41Z

Per i dispositivi che possono essere utilizzati nell'ambito della tecnologia IoT, la possibilità di poter ottenere connessioni wireless low power è uno dei principali obiettivi di una progettazione efficace. Le applicazioni wireless si stanno orientando verso bassi consumi, efficienza energetica, dimensioni compatte e costi ridotti. Se a ciò si aggiunge anche la possibilità di un dispositivo di poter operare in un’ampio range di applicazioni a bassa potenza e di configurare le impostazioni di alimentazione, le funzionalità si espandono ulteriormente. E’ in questo contesto che si colloca il modulo Rigado R41Z. Nell’articolo tratteremo il convertitore DC-DC integrato e le modalità di alimentazione configurabili attraverso il Power Configuration Switch, con riferimenti anche alle funzionalità hardware della scheda e allo sviluppo del progetto.

INTRODUZIONE

L’evaluation board R41Z di Rigado è un ottimo strumento di sviluppo per quasi tutti i progetti Bluetooth Smart come 4.2 Low Energy e Thread. Una connessione USB fornisce l’alimentazione alla scheda che dispone anche di una serie di pulsanti e LED che favoriscono l'interazione dell'utente con il dispositivo. In particolare, sono disponibili quattro pulsanti utente, di cui due convenzionali e due capacitivi, un LED RGB, un pulsante di reset, un sensore combinato di accelerazione/magnetometro, accelerometro e magnetometro combinato a 3 assi, un modulo flash esterno da 4Mbit e portabatteria CR2032. Le intestazioni dei form factor Arduino consentono l'accesso a 16 GPIO e 6 ingressi analogici. Ciò consente un utilizzo intuitivo degli schermi Rigado R41Z e di molti schermi Arduino esistenti. I resistori di rilevamento della corrente consentono di misurare la corrente nel modulo R41Z e nella schermatura. R41Z di Rigado è un dispositivo a chip singolo ultra-low-power e altamente integrato che consente Thread con connettività RF IEEE 802.15.4 e Bluetooth Low Energy (BLE) per sistemi portatili a bassissima potenza ed è basato su KW41Z di NXP. E’ dotato di una CPU ARM Cortex - M0 +, un ricetrasmettitore integrato a 2.4 GHz ed un'antenna integrata. La serie R41Z può alimentare molte applicazioni, anche le più esigenti, permettendo al contempo di semplificare i progetti e le applicazioni che richiedono comunicazioni simultanee su una rete basata su 802.15.4 come Thread e una rete Bluetooth Low Energy. Inoltre, garantisce anche costi di sviluppo ridotti rispetto ad altre release. Tale funzionalità multi-mode consente di partecipare a una rete mesh per il controllo e il monitoraggio locale e remoto, e la comunicazione diretta tramite Bluetooth Low Energy attraverso un dispositivo mobile. La scheda può accettare un'ampia gamma di opzioni di alimentazione, rendendo in tal modo efficiente il power management. Esistono diversi strumenti utili che aiutano lo sviluppo con i moduli R41Z Thread + Bluetooth, quali Kinetis BLE Toolbox App disponibile sia per iPhone che per Android, MCUXpresso SDK, MCUXpresso IDE, NXP Bluetooth Low Energy Documentation, Segger J-Link Software, NXP Kinetis Design Studio, NXP Kinetis SDK V2.0, NXP MKW41Z Connectivity Software. La scelta di un determinato strumento di sviluppo dipende dalla suite software utilizzata. Tutte le funzioni del modulo R41Z sono accessibili dalla scheda di valutazione. I moduli vengono forniti con firmware programmato in fabbrica, la cui versione è indicata sull'etichetta.

EVALUATION KIT R41Z

Il kit di valutazione della serie R41Z di Rigado consente l'uso standalone del modulo R41Z con il System-on-Chip (SoC) NXP MKW41Z RF. L’evaluation kit R41Z fornisce in dotazione la scheda di valutazione R41Z e il cavo di collegamento micro USB. Nelle Figure 1 e 2 sono mostrate le viste dall’alto dell'evaluation board R41Z.

Figura 1. La scheda di valutazione

Figura 2. La scheda di valutazione

Il kit di valutazione offre un ottimo punto di partenza per progetti Thread e Bluetooth 4.2 Low Energy. È progettato per garantire facilità d'utilizzo pur continuando a fornire pieno accesso alle funzionalità della R41Z. Il programmatore USB integrato consente una facile programmazione e configurazione. L’intero I/O è accessibile attraverso un fattore di forma Arduino R3 e il kit di valutazione supporta schermi accessori plug-and-play. Gli aggiornamenti del firmware Over-The-Air (OTA) e UART crittografati aggiungono un ulteriore livello di sicurezza alle applicazioni. Il bootloader della serie R41Z utilizza la crittografia AES-128 per permettere aggiornamenti sicuri del firmware dell'applicazione e del bootloader.

Le specifiche tecniche sono:

Alimentazione: 0.9 V - 4.2 V

TX Power: 0 dBm @ 6.5 mA

Rx Sensitivity: -95 dBm @ 6.5 mA

Interfacce UART/I2C/SPI/PWM/TSI/PDM/ADC

Pin: 25 GPIO, 2 analogici dedicati

Memoria: 512 kB di memoria Flash/128 kB di RAM

Dimensioni: 10.6 x 16.2 x 2.1 mm

Temperatura operativa: da - 40 °C a + 105 °C

Figura 3. Diagramma a blocchi del modulo R41Z

I file di progettazione per il kit di valutazione possono essere scaricati dal sito Rigado https://www.rigado.com/. Un regolatore LDO fornisce alimentazione regolata al modulo quando la sorgente USB è collegata. Le sorgenti di alimentazione sono OR insieme a diodi di protezione per impedire la tensione inversa a qualsiasi alimentazione, consentendo di collegare più fonti contemporaneamente. Tuttavia, poiché i diodi causano una caduta di circa 0.3 V nella tensione di origine, è disponibile un'opzione per bypassare i diodi tramite jumpers di saldatura. Il regolatore LDO può essere disattivato per consentire il debug basato su USB mentre si alimenta l'R41Z da una sorgente esterna o da una cella a bobina.

FUNZIONAMENTO E CARATTERISTICHE DEL CONVERTITORE DC-DC

L’aspetto che contraddistingue la scheda è la modalità di alimentazione. Il modulo Rigado R41Z contiene un convertitore DC-DC integrato che permette di operare in un’ampia gamma di ambienti di potenza senza la necessità di utilizzo di componenti aggiuntivi. La scheda di valutazione supporta differenti modalità operative, sono consentite tre modalità di funzionamento.

Modalità bypass (tensione in ingresso 1.71 V - 3.6 V): il convertitore DC-DC è bypassato, la tensione di ingresso fornisce direttamente tutte le linee di alimentazione del modulo interno. Questa configurazione è adatta per applicazioni con alimentazione maggiorata o non alimentata a batteria, che hanno linee di alimentazione regolate da 3.3 V o 1.8 V che alimentano più dispositivi. In questa modalità il convertitore DC-DC è bypassato e l'R41Z non può fornire alimentazione regolata ad altri dispositivi.

Figura 4. Esempio di schema in modalità bypass

Modalità buck (tensione in ingresso 1.8 V - 4.2 V): le linee di alimentazione interne sono originate e regolate dal modulo R41Z. Una barra di alimentazione disponibile esternamente consente al modulo R41Z di fornire alimentazione regolata ad altri dispositivi periferici. Adatto per piccole applicazioni alimentate direttamente da una batteria agli ioni di litio. Se il consumo energetico totale è basso, il modulo R41Z può fornire un power rail regolato per alimentare altri dispositivi.

Figura 5. Esempio di schema in modalità buck

Modalità boost (tensione in ingresso 0.9 V - 1.8 V): le linee di alimentazione interne sono originate e regolate dal modulo R41Z. Una barra di alimentazione disponibile esternamente consente a R41Z di fornire alimentazione regolata ad altri dispositivi periferici. Adatto per piccole applicazioni alimentate direttamente da una batteria a bassa tensione. Se il consumo energetico totale è basso, il modulo R41Z può fornire un power rail regolato per alimentare altri dispositivi. I 4 jumpers utilizzati per alternare le modalità buck e boost DC-DC sono etichettati come JMODE, JLP, J1P5 e J1P8.

Figura 6. Esempio di schema in modalità boost

Il dispositivo è, inoltre, fornito della configurazione switch di alimentazione. L'interruttore di configurazione dell'alimentazione, indicato sulla scheda come PWR CONFIG, consente di regolare facilmente la maggior parte delle impostazioni di alimentazione. Il passaggio tra modalità bypass e modalità buck può essere facilmente effettuato mediante l’utilizzo dell’interruttore di configurazione dell'alimentazione. Per utilizzare la modalità boost bisogna apportare delle modifiche tramite i Jumpers Power Configuration. [...]

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