Systemy embedded znajdują wiele zastosowań, od inteligentnych zegarków, przez czujniki IoT, aż po skomplikowane sterowniki przemysłowe. Chociaż projektowanie oprogramowania i dobór mikrokontrolera są często w centrum uwagi inżynierów, to zasilanie w systemach embedded odgrywa równie istotną rolę w niezawodności, bezpieczeństwie i efektywności energetycznej tych urządzeń.
Skutki źle dobranego zasilania
Systemy embedded często pracują w środowiskach o dużym poziomie zakłóceń, niestabilnym napięciu lub z przerwami w zasilaniu np. w pojazdach czy fabrykach. W takich przypadkach zanik napięcia może prowadzić do:
- utraty danych,
- błędów w logice sterowania,
- restartu systemu w niekontrolowanym momencie,
- trwałego uszkodzenia plików lub systemu operacyjnego.
Trudności w projektowaniu zasilania
- Zakłócenia i szumy – przetwornice impulsowe mogą generować zakłócenia EMI, które mogą wpłynąć na pracę czujników i transmisję danych.
- Rozruch systemu – niektóre układy wymagają sekwencyjnego uruchamiania napięć (power sequencing).
- Monitorowanie napięcia (supervisory circuits) – zapewnia, że mikrokontroler nie rozpocznie pracy przy zbyt niskim napięciu zasilania.
- Zabezpieczenia – przed przepięciem, zwarciem czy nadmiernym poborem prądu.
Źródła zasilania
W zależności od zastosowania, systemy embedded mogą być zasilane z różnych źródeł:
- Zasilanie bateryjne – popularne w urządzeniach mobilnych, czujnikach bezprzewodowych i systemach IoT. Kluczowa jest tutaj minimalizacja zużycia energii i dobór baterii.
- Zasilanie z sieci – stosowane w urządzeniach stacjonarnych. Wymaga stabilizacji napięcia i często konwersji z 230 V AC do niskonapięciowego DCnp. rozwiązania firmy FSP.
- Zasilanie przez USB lub PoE (Power over Ethernet) – wygodne w urządzeniach komunikujących się z komputerem lub siecią. Wymaga zgodności ze standardami (np. USB-C PD).
- Źródła alternatywne – jak energia słoneczna, kinetyczna lub termiczna, wykorzystywane w aplikacjach off-grid i trudno dostępnych lokalizacjach.
Regulacja napięcia
Większość mikrokontrolerów i komponentów elektronicznych wymaga napięć z zakresu 1.8 V – 5 V. Dlatego konieczne jest użycie przetwornic:
- LDO (Low Dropout Regulator) – liniowe stabilizatory napięcia, proste w użyciu, ale mało wydajne ze względu na duże straty mocy w postaci ciepła.
- Przetwornice impulsowe (buck, boost, buck-boost) – bardziej złożone, ale dużo wydajniejsze. Umożliwiają podwyższanie lub obniżanie napięcia z lepszą efektywnością energetyczną.
Zarządzanie energią
Wydajne zarządzanie energią jest niezbędne w systemach embedded, zwłaszcza zasilanych bateryjnie:
- Tryby uśpienia (sleep/standby/deep sleep) – mikrokontrolery i inne układy mogą przechodzić w tryby o zmniejszonym poborze mocy, gdy nie są aktywne.
- Zegar RTC i wake-up interrupt – pozwala na „wybudzanie” systemu o określonych porach lub w odpowiedzi na zdarzenia zewnętrzne.
- Dynamiczne skalowanie napięcia i częstotliwości (DVFS) – zmniejsza zużycie energii w zależności od obciążenia.
Wbudowane rozwiązania UPS i odporność na zaniki zasilania
W kontekście rosnącej niestabilności sieci energetycznych – czego przykładem może być niedawny blackout w Hiszpanii i Portugalii (kwiecień 2025), który sparaliżował infrastrukturę transportową i przemysłową na wiele godzin, coraz większe znaczenie mają systemy embedded wyposażone w zabezpieczenia przed nagłą utratą zasilania.
Na rynku dostępne są specjalistyczne urządzenia z wbudowanym systemem UPS (Uninterruptible Power Supply), które automatycznie przejmują zasilanie w razie przerwy w dostawie prądu. Przykładem są rozwiązania firmy Sintrones, która oferuje przemysłowe komputery embedded z modułem UPS opartym na superkondensatorach lub akumulatorach, zapewniające bezpieczne wyłączenie systemu lub kontynuację pracy przez krótki czas.
Firma Cincoze oferuje również CFM Module (Control Function Module), który rozszerza zasilanie w systemach embedded o funkcjonalność takie jak:
- Power Ignition Sensing – umożliwia wykrycie zapłonu w pojazdach (automatyczne włączanie/wyłączanie komputera po starcie/zgaszeniu silnika),
- możliwość ustawienia opóźnionego wyłączenia systemu,
- 12V / 24V selekcję napięcia, co pozwala dostosować komputer do instalacji automotive i przemysłowej,
- pełną integrację z systemami pojazdowymi (zgodność m.in. z E-Mark).
Takie rozwiązania są szczególnie cenione w: kolejnictwie i transporcie (np. rejestratory pokładowe, systemy monitoringu), przemyśle 4.0, inteligentnych sieciach energetycznych, aplikacjach militarnych i krytycznych systemach monitoringu
Zabezpieczenia przed przepięciami i przeciążeniami
Oprócz samego UPS-a, nowoczesne systemy embedded coraz częściej integrują zaawansowane układy ochronne, takie jak:
- OVP (Over Voltage Protection) – zabezpieczenie przed zbyt wysokim napięciem,
- OCP (Over Current Protection) – ochrona przed przeciążeniem prądowym,
- EOS (Electrical Overstress Protection) – ochrona przed nagłymi impulsami,
- filtry EMI – tłumiące zakłócenia elektromagnetyczne.
Takie zabezpieczenia są szczególnie ważne w urządzeniach pracujących na zewnątrz lub zasilanych z sieci narażonych na skoki napięcia (np. pojazdy, linie produkcyjne, systemy wizyjne z PoE).
Przykłady praktyczne
- Sensor IoT zasilany bateryjnie: Wymaga ultra-niskiego zużycia energii, częstego usypiania procesora i efektywnego układu LDO lub buck.
- Sterownik przemysłowy zasilany z sieci: Potrzebuje niezawodnego zasilacza impulsowego i ochrony przed zakłóceniami sieciowymi.
- Systemy Embedded w pojazdach: Wbudowany UPS zapewnia podtrzymanie zasilania, umożliwiając zapis danych i bezpieczne wyłączenie systemu w przypadku zaniku napięcia.
- Zabezpieczenie systemu w centrum danych: Zasilacze UPS i systemy redundancji zapewniają ciągłość zasilania, minimalizując ryzyko utraty danych w razie awarii sieci.
Podsumowanie
Zasilanie w systemach embedded to nie tylko kwestia „czy urządzenie działa”, ale jak długo, jak stabilnie i jak bezpiecznie. Efektywne projektowanie układów zasilania pozwala wydłużyć czas pracy na baterii, poprawić niezawodność oraz umożliwia wdrażanie nowoczesnych funkcji. W dobie nieprzewidywalnych przerw w dostawie energii, jak ostatni blackout na Półwyspie Iberyjskim, coraz ważniejsze stają się rozwiązania z wbudowanym UPS, które mogą zagwarantować ciągłość działania nawet w trudnych warunkach.
Projektujesz system embedded i zależy Ci na niezawodnym zasilaniu?
Skontaktuj się z nami – pomożemy dobrać odpowiednie rozwiązania, dopasowane do Twoich warunków pracy, budżetu i norm branżowych.
Napisz na: info@me-embedded.eu
lub kliknij „Zapytanie ofertowe” w prawym górnym rogu strony.
