Intelligentes Energiemanagement mit Axiomtek

Axiomtek hat sich dazu verpflichtet, zuverlässige Stromversorgungslösungen für seine Industrie-PC-Produkte anzubieten, die in kritischen Umgebungen für Anwendungen wie die Überwachung von Massenverkehrsmitteln an Bord, Fabrikautomatisierung oder robuste Außenanwendungen eingesetzt werden, bei denen hochzuverlässige Computer der Schlüssel zur Kontinuität des Betriebs sind.

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Axiomtek hat sich dazu verpflichtet, zuverlässige Stromversorgungslösungen für seine Industrie-PC-Produkte anzubieten, die in kritischen Umgebungen für Anwendungen wie die Überwachung von Massenverkehrsmitteln an Bord, die Fabrikautomatisierung oder robuste Außenanwendungen eingesetzt werden, bei denen hochzuverlässige Computer der Schlüssel zur Kontinuität des Betriebs sind. In vielen industriellen Prozessen ist eine kontinuierliche Stromversorgung rund um die Uhr erforderlich. Die Stromquelle muss reguliert und geschützt werden, um den Verlust wichtiger Informationen oder kostspielige Ausfallzeiten, z. B. in einer Produktionsumgebung, zu verhindern. Die Computer, die zur Steuerung der Abläufe eingesetzt werden, sollten in der Lage sein, einen plötzlichen Stromausfall vorherzusehen und schnell darauf zu reagieren. Viele der Embedded-Motherboards und -Systeme von Axiomtek bieten die IPM-Funktion, um Probleme mit Stromschwankungen zu bekämpfen. Die Intelligent Power Management (IPM)-Funktionalität ist in das CPU-Motherboard integriert oder wird als separates Modul angeboten. In diesem Artikel liegt der Schwerpunkt auf der allgemeinen Hardwarestruktur und der Funktionalität der IPM-Einheit, die in den von Axiomtek entwickelten eingebetteten Transportsystemen verwendet wird. Wir werden auch die Benutzerfreundlichkeit der Dienstprogramme des Systems aufzeigen, z. B. Einstellungsänderungen über das BIOS oder das Betriebssystem.

Intelligentes Energiemanagement der tBOX-Produkte von Axiomtek

Ein Beispiel für Axiomtek Produkte, die das IPM-Modul enthalten, ist die tBOX324-894-FL. Das Modul ist so konzipiert, dass es einen Weitbereichseingang von 9 - 36V verarbeiten kann und gleichzeitig eine stabile und sichere 12V-Stromversorgung für das CPU-Motherboard gewährleistet. Der Stromeingang des Axiomtek IPM umfasst einen zusätzlichen Accessories/Ignition ACC-Eingangspin, einen Standard-Stromschalterpin, der in verschiedenen Transportanwendungen verwendet wird.

Das IPM-Modul funktioniert wie in Abbildung 1 unten dargestellt:

Seine Fähigkeit, die Spannung zu steuern und eine stabile 12-V-Stromversorgung zu liefern, lässt sich anhand von 3 Hauptbetriebsblöcken erklären.

1. Block zum Schutz der Eingangsspannung

Bei industriellen Anwendungen, bei denen die Versorgungsspannung nicht stabil ist oder von einer Batterie geliefert wird, ist es wichtig, dass der Controller mit einem breiteren Bereich von Eingangsspannungen als den herkömmlichen, festen 12 V oder 24 V DC arbeiten kann. In den meisten Transportanwendungen ist die Batterie die Hauptstromquelle. Wenn sich eine Batterie im Laufe der Zeit entlädt, sinkt der Spannungspegel. Irgendwann ist sie dann nicht mehr in der Lage, das System mit Strom zu versorgen. Daher ist es wichtig, die Instabilität der Spannung zu erkennen und die Geschwindigkeit der Entladung der Batterie vorherzusagen. Mit dem IPM wird ein Warnsystem eingerichtet, um Betriebsausfälle aufgrund von Problemen mit der Spannungsinstabilität zu verhindern. Der Controller kann die unvermeidliche Abschaltung des Systems vorhersagen. Anschließend kann er Maßnahmen zur Vermeidung von Verlusten ergreifen, z. B. die sichere Speicherung wichtiger Daten und Informationen, die von allen laufenden Programmen erzeugt werden, das Schließen der Programme und schließlich das sichere Herunterfahren des Systems.

Der Eingangsspannungsschutz-Block kann in drei große Unterblöcke unterteilt werden:

A. Schutz vor Verpolung

Verpolung ist ein häufiges Problem bei industriellen Anwendungen. In vielen Fällen kann die Eingangsleistung ohne die standardmäßigen Leistungsstecker über blanke Drähte geliefert werden, die so bearbeitet werden, dass sie in einen Phoenix-Klemmenstecker passen. In einer solchen Konfiguration ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Polarität des Stromeingangs verwechselt oder vertauscht wird, was zu schweren Schäden am System führen und es innerhalb von Sekunden unbrauchbar machen kann. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu verhindern. Ein Verpolungsschutz kann die Verwendung von Dioden, einer Art passivem Halbleiterbauelement, das den Stromfluss in eine Richtung blockieren kann, die Verwendung von aktiven Halbleiterbauelementen wie bipolaren Sperrschichttransistoren (BJTs) oder die Verwendung von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) umfassen, die zur Regulierung des Stromzugangs des Systems verwendet werden können, wenn ein Verpolungseingang auftritt. Je nach den Anforderungen des Systems kann die Lösung aus nur einer Diode, einem MOSFET oder einer Diode und einigen passiven Komponenten bestehen. Eine komplexere Lösung kann einen integrierten Schaltkreis (IC) enthalten, der die Eingangsspannung regelt und den Zugang zum System sperrt, wenn eine Rückwärtsspannung festgestellt wird. Dies kann durch die Steuerung der Gate-/Schwellenwertspannung des MOSFETS geschehen.

B. Unterspannungs- und Überspannungsschutz

Der Unter- und Überspannungsschutz wird durch das Festlegen von Grenzwerten, das Erfassen der oberen und unteren Grenzwerteinstellungen und die Weiterleitung der Informationen an den Leistungsschutz-Controller-Chip für erforderliche Maßnahmen erreicht. Abbildung 2 unten zeigt ein Blockdiagramm, wie der Power Controller IC Informationen über die Eingangsspannung erhält.

Der Grenzwert für die niedrige Spannung ist beispielsweise auf 9 V eingestellt, während der Grenzwert für die hohe Spannung auf 36 V eingestellt ist. Die Spannung wird in einen der Eingänge des ICs eingespeist, der den Unterspannungspegel steuert. Liegt die ermittelte Rückkopplungsspannung unter einem bestimmten Referenzspannungspegel im IC (z. B. 1,25 V), wird der Ausgang des Stromversorgungsschutz-ICs abgeschaltet. Der Überspannungsschutz funktioniert auf die gleiche Weise. Wenn beispielsweise die Rückkopplungsspannung höher als 1,25 V ist, wird die Ausgangsspannung des Steuerschaltkreises ausgeschaltet oder nicht eingeschaltet.

C. Überstromschutz

Der Überstromschutz wird erreicht, indem ein Widerstand mit niedrigem Wert (im Milli-Ohm-Bereich) in Reihe zwischen der Last und der Eingangsspannung geschaltet wird. Beide Enden des Widerstands Rsense sind Eingänge für den Strommessverstärker (siehe Abbildung 3 unten). Erhöht der Strom durch den Widerstand den Spannungspegel über den eingestellten Spannungsabfall und die Spannung In hinaus oder erreicht er die vom Controller-Chip festgelegte Höchstgrenze - z. B. 50 mV -, schaltet der IC die Stromversorgung des Systems ab. Die Stromstärke, die durchgelassen wird, hängt vom Widerstandswert ab. Wenn der Widerstandswert 1 milliOhm beträgt und die maximale Spannung am Verstärkereingang 50mV, dann beträgt der zulässige Strom 50mV/1milliOhm = 50A. Die Stromgrenze kann durch Einstellen des Messwiderstandes verringert werden. Wenn die gewünschte Stromgrenze beispielsweise 10A beträgt, muss der Wert des Messwiderstandes auf 5mOhm geändert werden: 50mV/5milliOhm = 10A.

2. MCU-Block

Der MCU-Block fungiert als das Gehirn des IPM-Moduls. Er empfängt Signale von verschiedenen Blöcken, die anzeigen können, dass bestimmte Aktionen stattgefunden haben. Er kann auch Signale senden, die für die empfangenden Blöcke bestimmte Bedeutungen haben.

Einige der Signale, die die MCU empfängt (siehe Abbildung 1), sind Input Power OK, ACC Interrupt und Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) Signale, die die Timer-Einstellungen ändern und der MCU mitteilen können, dass Informationen im Computer vor dem Herunterfahren gespeichert wurden. Einige der Signale, die die MCU zurückmeldet, sind Einheit EIN und AUS, Ausgangsspannung (VCC OUT) und Kommunikation mit dem PC über UART über die IPM-Einstellungen usw. Die obigen Beispiele zeigen nur, wie das System funktioniert, und es ist eine komplexere Kommunikation mit dem IPM-Modul möglich.

Das Signal Input Power OK, das vom Power Protection Block empfangen wird, ist in der Regel ein digitales HIGH/LOW-Signal, das anzeigt, dass der Stromeingang mit allen Spannungs- und Stromanforderungen des Systems übereinstimmt. Wenn mit dem Stromeingang alles in Ordnung ist, sendet die MCU ein digitales Signal an den Spannungsregler, um die Aktivierung des 12-V-Stromeingangs des CPU-Motherboards zu ermöglichen. Außerdem sendet sie über Power Supply On (PSON) ein Signal an die CPU, um sie einzuschalten. Das System ist intelligent und in der Lage, Prioritäten zu setzen. Wenn das Signal Input Power OK anzeigt, dass mit der Eingangsspannung alles in Ordnung ist, der ACC Interrupt aber nicht eingeschaltet ist, bleibt das System trotzdem ausgeschaltet.

Die MCU ist in der Lage, der System-CPU über die serielle UART-Kommunikation mitzuteilen, dass es an der Zeit ist, das System abzuschalten. Sie kann den Abschaltvorgang verzögern, damit der Computer seine laufenden Aktionen stoppen und wichtige Daten vor dem Ausschalten des Systems speichern kann. Die CPU selbst kann mit der MCU kommunizieren und einige Einstellungen ändern, z. B. die Verzögerungen vor dem Ein- und Ausschalten des Systems.

Die MCU ist für die Verwaltung der Stromquelle des Systems zuständig und spielt eine entscheidende Rolle bei der sicheren Energieverwaltung des Hauptsystems.

3. Spannungsregelungsblock

Der Spannungsregelungsblock dient der Aufrechterhaltung eines stabilen Spannungsniveaus und ist einer der komplexeren Blöcke, die ein optimales Niveau an rauscharmer, stabiler und fester Ausgangsspannung liefern sollen. Der Hauptzweck des Spannungsregelungsblocks ist die Bereitstellung einer festen Ausgangsspannung, z. B. 12 V, wenn die Eingangsspannung zwischen 9 und 36 V schwankt. Es gibt verschiedene Topologien, darunter Buck, Boost, Buck-Boost, isolierte und nicht isolierte Topologien. Der Entwurf jeder Topologie für die Spannungsregelung erfordert unterschiedliche Ansätze. Der Prozess beginnt mit einem schematischen Entwurf, der thermische Überlegungen zur Wärmeableitung enthält, insbesondere bei Systemen mit hohem Strom und hoher Leistung.

UEFI

Die PMU Axiomtek wird mit einer Software ausgeliefert, die es dem Benutzer ermöglicht, einige der Einstellungen über das BIOS oder die In-OS-Anwendungsschnittstellen zu verwalten. Der Prozess erfordert ein bootfähiges USB-Flash-Laufwerk, auf das die UEFI-Dateien hochgeladen werden, bevor das System gebootet wird. Sobald das USB-Laufwerk bereit ist, kann der Benutzer das Flash-Laufwerk an das System anschließen und es über den Boot-Bereich der BIOS-Einstellungen als vorrangiges Boot-Gerät auswählen. Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, kann der Benutzer das System neu starten und es über das USB-Laufwerk booten lassen.

Geben Sie im UEFI-Shell-Modus PSU.efi ein und drücken Sie die Eingabetaste, wie in Abbildung 4 unten dargestellt:

Als Nächstes finden Sie in den Energieverwaltungseinstellungen alle wichtigen Informationen zum Stromversorgungsstatus, wie unten dargestellt:

Verwenden Sie die Tabulatortaste, um durch beide Seiten zu navigieren. In der PSU Configuration (Netzteilkonfiguration) können einige Änderungen an Parametern wie Spannungsstufen und Verzögerungszeiten usw. vorgenommen werden

Die Einstellungsparameter können auch über das in-OS-Dienstprogramm für Windows geändert werden. Nachdem Sie die ausführbare Datei gestartet haben, wählen Sie den COM-Port aus, an dem sich die IPM-Einheit befindet. Das Einstellungsfenster erscheint wie unten abgebildet und es können Änderungen vorgenommen werden.

ACC INTERRUPT - Transportsysteme

Die Abkürzung ACC kommt von dem Wort "Accessories" (Zubehör) und wurde erstmals in Autos als eine der Positionen am Zündschloss eingeführt. Wenn ein Autoschlüssel in ein Zündschloss gesteckt und nach links gedreht wird, wird der ACC-Stromkreis eingeschaltet. Dadurch wird die Stromversorgung zum Betrieb des Radios, der Fensterheber und anderer Zubehörteile ermöglicht. Die Kraftstoffpumpe des Fahrzeugs und andere Motorsteuerungen werden jedoch nicht eingeschaltet. Der Batteriestrom wird für den Gebrauch beim Anlassen des Fahrzeugs gespeichert. Für Nutzfahrzeuge gibt es eine Liste von Peripheriekreisen, die im ACC-Modus Batteriestrom verbrauchen. In anderen Bereichen des industriellen Transports kann die Zahl der entsprechenden Anwendungen höher sein als bei Nutzfahrzeugen. Zusätzliche Computer können erforderlich sein, um die zusätzlichen Geräte zu steuern, z. B. Kameras, Geldscheinlesegeräte, Sensoren zum Öffnen und Schließen von Türen usw.

Axiomtek tBOX Stromanschluss

Die tBOX-Produkte verfügen über einen ACC-Pin am Stromeingang, der als Ein- und Ausschalter fungiert. Bei der tBOX324-894-FL zum Beispiel zeigt das Foto unten den grünen Phoenix-Stecker unten links. Dies ist der Hauptstromeingang. Die tBOX324-894-FL kann eine Eingangsspannung von 9 - 36 V annehmen. Pin + ist mit Spannungen zwischen 9 und 36 V verbunden

Pin - ist normalerweise GND (0V) oder der niedrigste Referenzspannungspegel

Pin ACC - der mittlere Pin ist entweder der ACC-Zündungspin oder der G-Pin (Gehäusemasse)

Dies ist möglich, weil zu dem Zeitpunkt, zu dem der Autoschlüssel ausgeschaltet wird, die Batteriespannung am Stromanschluss noch vorhanden ist und die tBox nicht vollständig von der Stromquelle getrennt ist. Die Stromversorgungs-Steuereinheit hat Zeit, dem Computer mitzuteilen, dass er sich abschalten und in den Schlafmodus gehen soll, um die Batterie vor dem Entladen zu schützen, während das Fahrzeug ausgeschaltet ist.

Anwendungen

Axiomtek bietet viele hochwertige, für das Transportwesen zertifizierte Lösungen an, die über die Funktion Intelligent Power Management verfügen. Nachfolgend finden Sie zwei Beispiele für Anwendungen, bei denen diese Funktion die Betriebsstabilität in unternehmenskritischen Umgebungen sicherstellt.

Axiomtekdie tBOX324-894-FL ist eines der neuesten Produkte aus der Produktlinie der eingebetteten Transportsysteme (tBOX). Dieses funktionsreiche, für den Transportbereich zertifizierte Embedded-System bietet die Stromversorgungsschutzfunktion sowie erweiterte Flexibilität und Anpassungsfähigkeit mit einer Vielzahl von E/A-Anschlüssen. Es unterstützt die Industriestandards USB, COM, CAN, Ethernet und digitale E/A-Kommunikationsschnittstellen sowie Display-Schnittstellen wie VGA und DVI-I. Es gibt mehrere Optionen für den Stromeingangsspannungsbereich und für Steckertypen wie Phoenix und M12. Mit den skalierbaren, leistungsstarken Optionen der Intel® Core™ i7, i5 oder i3 CPUs der 7. Generation eignet sich die tBOX324-894-FL hervorragend für komplexe unternehmenskritische Projekte.

Über Assured Systems

Assured Systems die tBOX32-894-FL ist ein führendes Technologieunternehmen, das qualitativ hochwertige und innovative Computerlösungen für den Embedded-, Industrie- und Digital-out-of-Home-Markt auf der ganzen Welt anbietet. Mit Hauptsitz in Stone, England, und Niederlassungen in Nordamerika sind wir wirklich global aufgestellt. Unser beeindruckendes Produktportfolio umfasst eine breite Palette an lüfterlosen Embedded-Computer-Systemen, Digital Signage- und Multimedia-Computer-Systemen, Touchscreen-Panel-PCs, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Fahrzeug-Computern, Rackmount-Computer-Systemen, Single-Board-Computern, robusten Laptops und Tablets.