Gestion intelligente de l'énergie avec Axiomtek

Axiomtek s'est engagée à fournir des solutions fiables de protection de l'alimentation pour ses produits PC industriels, qui sont déployés dans des environnements critiques pour des applications telles que la surveillance à bord des transports en commun, l'automatisation des usines ou les applications extérieures robustes où des ordinateurs hautement fiables sont la clé de la continuité des opérations.

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Axiomtek s'est engagée à fournir des solutions fiables de protection de l'alimentation pour ses produits PC industriels, qui sont déployés dans des environnements critiques pour des applications telles que la surveillance à bord des transports en commun, l'automatisation des usines ou les applications extérieures robustes où des ordinateurs très fiables sont la clé de la continuité des opérations. Dans de nombreux processus industriels, la continuité de l'alimentation électrique est requise 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. La source d'alimentation doit être régulée et protégée pour éviter la perte d'informations importantes ou des temps d'arrêt coûteux, par exemple dans un environnement de chaîne de production. Les ordinateurs utilisés pour contrôler les opérations doivent être prêts à prévoir une panne de courant soudaine et à y réagir rapidement. Un grand nombre de cartes mères et de systèmes intégrés de Axiomtek offrent la fonction IPM pour lutter contre les problèmes de fluctuation de l'alimentation. La fonctionnalité de gestion intelligente de l'alimentation (IPM) est intégrée à la carte mère de l'unité centrale ou proposée sous forme de module séparé. Dans cet article, l'accent sera mis sur la structure matérielle générale et la fonctionnalité de l'unité IPM utilisée dans les systèmes embarqués de transport conçus par Axiomtek. Nous présenterons également la facilité d'utilisation des utilitaires du système, par exemple les changements de paramètres par le biais du BIOS ou du système d'exploitation.

Gestion intelligente de l'alimentation des produits tBOX de Axiomtek

Le tBOX324-894-FL est un exemple des produits Axiomtek qui contiennent le module IPM. Le module est conçu pour gérer une entrée d'alimentation à large gamme de 9 à 36 V tout en garantissant une alimentation stable et sûre de 12 V à la carte mère de l'unité centrale. L'entrée d'alimentation de l'IPM Axiomtek comprend une broche d'entrée supplémentaire Accessories/Ignition ACC, une broche d'interrupteur d'alimentation standard utilisée dans diverses applications de transport.

Le module IPM fonctionne comme le montre la figure 1 ci-dessous :

Sa capacité à contrôler la tension et à fournir une alimentation stable de 12V peut être expliquée au moyen de 3 blocs opérationnels principaux.

1. Bloc de protection de la tension d'entrée

Dans les applications industrielles où la tension d'alimentation n'est pas stable ou est fournie par une batterie, il est important que le contrôleur puisse fonctionner avec une gamme de tensions d'entrée plus large que la tension fixe conventionnelle de 12 ou 24 V CC. Dans la plupart des applications de transport, la principale source d'énergie est la batterie. Lorsqu'une batterie se décharge au fil du temps, le niveau de tension commence à se dégrader. À un moment donné, elle ne sera plus en mesure d'alimenter le système. Il est donc important de détecter l'instabilité de la tension et de prévoir le rythme de décharge de la batterie. Avec l'IPM, un système d'alerte est mis en place pour éviter toute défaillance opérationnelle due à des problèmes d'instabilité de l'alimentation. Le contrôleur peut prévoir l'arrêt inévitable du système. Par la suite, il peut prendre des mesures de prévention des pertes telles que la sauvegarde sécurisée des données et informations importantes créées par tous les programmes en cours d'exécution, la fermeture des programmes et, enfin, l'arrêt du système en toute sécurité.

Le bloc de protection de la tension d'entrée peut être divisé en trois sous-blocs principaux :

A. Protection contre les tensions inverses

La tension inverse est un problème courant dans les applications industrielles. Dans de nombreux cas, la puissance d'entrée peut être fournie sans les connecteurs d'alimentation standard, au moyen de fils nus retravaillés pour s'adapter à un connecteur de type Phoenix. Dans une telle configuration, la probabilité de confondre ou d'inverser la polarité de l'alimentation est élevée, ce qui peut endommager gravement le système et le rendre inutilisable en quelques secondes. Il existe plusieurs façons d'éviter cela. Une protection contre l'inversion de tension peut inclure l'utilisation de diodes, un type de dispositif semi-conducteur passif qui peut bloquer le flux de courant dans une direction ; l'utilisation de dispositifs semi-conducteurs actifs tels que les transistors à jonction bipolaire (BJT) ; ou l'utilisation de transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) qui peuvent être utilisés pour réguler l'accès à l'alimentation du système lorsqu'une tension d'entrée inversée se produit. Selon les exigences du système, la solution peut être composée d'une seule diode, ou d'un MOSFET, ou d'une diode et de quelques composants passifs. Une solution plus complexe peut inclure un contrôleur à circuit intégré (CI) qui régulera la tension d'entrée et bloquera son accès au système si une tension inverse est détectée. Cela peut se faire en contrôlant la tension de grille/seuil des MOSFETS.

B. Protection contre les sous-tensions et les surtensions

La protection contre les sous-tensions et les surtensions s'effectue en fixant des limites, en détectant les limites supérieures et inférieures et en transmettant l'information à la puce du contrôleur de protection de l'alimentation pour qu'elle prenne les mesures qui s'imposent. La figure 2 ci-dessous présente un schéma fonctionnel montrant comment le circuit intégré du contrôleur de puissance reçoit des informations sur la tension d'entrée.

Par exemple, la limite de basse tension est fixée à 9V tandis que la limite de haute tension est fixée à 36V. La tension est transmise à l'une des entrées du circuit intégré qui contrôle le niveau de sous-tension. Si la tension de retour détectée est inférieure à un certain niveau de tension de référence à l'intérieur du circuit intégré (par exemple 1,25 V), la sortie du circuit intégré de protection de l'alimentation sera désactivée. La protection contre les surtensions fonctionne de la même manière. Par exemple, si la tension de retour est supérieure à 1,25 V, la tension de sortie du circuit de commande s'éteint ou ne s'allume pas.

C. Protection contre les surintensités

La protection contre les surintensités est obtenue en plaçant une résistance de faible valeur (de l'ordre du milli Ohms) en série entre la charge et la tension d'entrée. Les deux extrémités de la résistance Rsense sont des entrées de l'amplificateur de détection de courant (voir la figure 3 ci-dessous). Si le courant traversant la résistance augmente le niveau de tension au-delà de la chute de tension définie et de la tension d'entrée, ou s'il atteint la limite maximale définie par la puce du contrôleur - par exemple 50mV, le circuit intégré coupera l'alimentation du système. La quantité de courant autorisée à passer dépend de la valeur de la résistance. Si la valeur de la résistance est de 1 milliOhm et que la tension maximale de l'entrée de l'amplificateur est de 50mV, le courant autorisé sera de 50mV/1milliOhm = 50A. La limite de courant peut être réduite en ajustant la résistance de détection. Par exemple, si la limite de courant souhaitée est de 10A, la valeur de la résistance de détection doit être modifiée à 5mOhm : 50mV/5milliOhm = 10A.

2. Bloc MCU

Le bloc MCU agit comme le cerveau du module IPM. Il reçoit des signaux de différents blocs qui peuvent indiquer que certaines actions ont eu lieu. Il peut également envoyer des signaux qui auront une signification spécifique pour les blocs récepteurs.

Parmi les signaux reçus par l'unité MCU (voir figure 1), citons Input Power OK, ACC Interrupt et Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART), qui peuvent modifier les paramètres de la minuterie et indiquer à l'unité MCU que des informations ont été sauvegardées dans l'ordinateur avant l'arrêt de ce dernier. Certains des signaux renvoyés par l'unité MCU sont l'activation et la désactivation de l'unité, la tension de sortie (VCC OUT) et les communications avec le PC via UART concernant les paramètres de l'IPM, etc. Les exemples ci-dessus ne sont que des exemples de base du fonctionnement du système et des communications plus complexes sont possibles sur le module IPM.

Le signal Input Power OK, reçu du bloc de protection de l'alimentation, est généralement un signal numérique HAUT/BAS qui indique que l'entrée d'alimentation est conforme à toutes les exigences de tension et de niveau de courant du système. Si tout va bien avec l'entrée d'alimentation, le MCU envoie un signal numérique au régulateur de tension pour permettre l'activation de l'entrée d'alimentation 12V de la carte mère de l'unité centrale. Il envoie également un signal à l'unité centrale par l'intermédiaire de la fonction Power Supply On (PSON) pour la mettre en marche. Le système est intelligent et peut établir des priorités. Si le signal Input Power OK indique que tout va bien avec la tension d'entrée mais que l'interruption ACC n'est pas activée, le système restera éteint.

L'unité MCU est capable d'indiquer à l'unité centrale du système, via une communication série UART, qu'il est temps d'éteindre le système. Il peut retarder le processus d'arrêt pour permettre à l'ordinateur d'arrêter ses actions en cours et de sauvegarder des données importantes avant d'éteindre le système. L'UC elle-même peut communiquer avec le MCU et modifier certains paramètres, tels que les délais avant la mise en marche et l'arrêt du système.

Le MCU est chargé de la gestion de la source d'alimentation du système et joue un rôle crucial dans la gestion sécurisée de l'alimentation du système principal.

3. Bloc de régulation de la tension

Le bloc de régulation de tension est utilisé pour maintenir un niveau de tension stable et est l'un des blocs les plus complexes conçus pour fournir un niveau optimal de tension de sortie stable et fixe à faible bruit. L'objectif principal du bloc de régulation de tension est de fournir une tension de sortie fixe, par exemple 12V, lorsque la tension d'entrée varie de 9 à 36V. Il existe plusieurs topologies, notamment Buck, Boost, Buck-Boost, isolées et non isolées. La conception de chaque topologie de circuit de régulation de tension nécessite des approches différentes. Le processus commence par une conception schématique qui inclut des considérations thermiques sur la dissipation de la chaleur, en particulier dans les systèmes à courant et à puissance élevés.

UEFI

Le PMU Axiomtek est livré avec un logiciel qui permet à l'utilisateur de gérer certains paramètres par le biais de son BIOS ou de ses interfaces d'application in-OS. Le processus nécessite une clé USB amorçable avec les fichiers UEFI téléchargés avant de démarrer le système. Une fois la clé USB prête, l'utilisateur peut l'attacher au système et la sélectionner comme périphérique de démarrage prioritaire dans la section "boot" des paramètres du BIOS. Une fois cette étape terminée, l'utilisateur peut redémarrer le système et le faire démarrer à l'aide de la clé USB.

En mode shell UEFI, entrez PSU.efi et appuyez sur la touche Entrée, comme le montre la figure 4 ci-dessous :

Ensuite, dans les paramètres de gestion de l'alimentation, toutes les informations importantes concernant l'état de l'alimentation peuvent être trouvées comme indiqué ci-dessous :

Utilisez la touche Tab pour naviguer dans les deux pages. Dans la configuration de l'unité d'alimentation, certaines modifications peuvent être apportées à des paramètres tels que les niveaux de tension et les délais, etc

Les paramètres de réglage peuvent également être manipulés à l'aide de l'utilitaire in-OS pour Windows. Après avoir lancé le fichier exécutable, sélectionnez le port COM où se trouve l'unité IPM. La fenêtre de paramétrage apparaît comme indiqué ci-dessous et des modifications peuvent être apportées.

ACC INTERRUPT - Systèmes de transport

L'abréviation ACC vient du mot "Accessories" et a été introduite pour la première fois dans les voitures comme l'une des positions du commutateur d'allumage. Lorsqu'une clé de voiture est insérée dans un commutateur d'allumage et tournée vers la gauche, le circuit ACC est activé. Cela vous permet de disposer de l'alimentation électrique nécessaire pour faire fonctionner la radio, les vitres et d'autres accessoires. Toutefois, il ne met pas en marche la pompe à carburant du véhicule ni les autres commandes du moteur. L'énergie de la batterie est conservée pour être utilisée au moment du démarrage du véhicule. Pour les véhicules utilitaires, il existe une liste de circuits périphériques qui utilisent l'énergie de la batterie en mode ACC. Dans d'autres domaines du transport industriel, le nombre d'applications connexes peut être supérieur à celui des véhicules commerciaux. Des ordinateurs supplémentaires peuvent être nécessaires pour contrôler les dispositifs additionnels, par exemple les caméras, les dispositifs de lecture de billets, les capteurs d'ouverture et de fermeture des portes, etc.

Axiomtek connecteur d'alimentation tBOX

Les produits tBOX incluent la broche ACC à l'entrée d'alimentation qui agit comme un interrupteur marche/arrêt. Par exemple, dans le tBOX324-894-FL, la photo ci-dessous montre le connecteur vert de type Phoenix en bas à gauche. Il s'agit de l'entrée d'alimentation principale. Le tBOX324-894-FL peut accepter une gamme de tensions d'entrée de 9 à 36V. La broche + est connectée aux tensions comprises entre 9 et 36V

La broche - est généralement GND (0V) ou le niveau de tension de référence le plus bas

Broche ACC - la broche centrale est soit la broche d'allumage ACC, soit la broche G (masse du châssis)

Ceci est possible parce qu'au moment où la clé de la voiture est éteinte, la batterie est encore disponible au niveau du connecteur d'alimentation et le boîtier n'est pas complètement déconnecté de la source d'alimentation. L'unité de contrôle de l'alimentation a le temps de dire à l'ordinateur de s'éteindre et d'entrer en mode veille pour protéger la batterie de l'épuisement lorsque la voiture est éteinte.

Applications

Axiomtek propose de nombreuses solutions de haute qualité certifiées pour les transports et dotées de la fonction de gestion intelligente de l'alimentation. Voici deux exemples d'applications pour lesquelles cette fonction permet d'assurer la stabilité opérationnelle dans des environnements critiques.

Axiomtekle tBOX324-894-FL d'Applications est l'un des derniers produits introduits dans la gamme des systèmes embarqués pour le transport (tBOX). Ce système embarqué riche en fonctionnalités et certifié pour les transports offre la fonction de protection de l'alimentation ainsi qu'une flexibilité et une personnalisation accrues grâce à une variété de connexions d'E/S. Il prend en charge les normes industrielles USB, COM, COMB et COMB. Il prend en charge les interfaces de communication USB, COM, CAN, Ethernet et E/S numériques standard de l'industrie et les interfaces d'affichage comprennent VGA et DVI-I. Il existe de nombreuses options pour la plage de tension d'entrée de l'alimentation et pour les types de connecteurs, notamment Phoenix et M12. Avec les options évolutives et puissantes des CPU Intel® 7th Generation Core™ i7, i5 ou i3, le tBOX324-894-FL est éminemment adapté aux projets complexes à mission critique.

À propos de Assured Systems

Assured Systems est une entreprise technologique de premier plan qui propose des solutions informatiques appliquées innovantes et de haute qualité aux marchés de l'embarqué, de l'industrie et de la déconnexion numérique dans le monde entier. Basée à Stone, en Angleterre, et disposant de bureaux en Amérique du Nord, notre portée est véritablement mondiale. Notre impressionnante gamme de produits comprend un éventail complet de systèmes informatiques embarqués sans ventilateur, de systèmes informatiques multimédias et de signalisation numérique, de PC à écran tactile, d'interfaces homme-machine, d'ordinateurs montés sur véhicule, de systèmes informatiques montés en rack, d'ordinateurs à carte unique, d'ordinateurs portables robustes et de tablettes.