AIoT電源

IPv6（インターネットプロトコルバージョン6）の出現により、IoT デバイスには想像を絶するほど大きなアドレス空間が開かれました。これにより、地球上のすべての砂粒を何度も個別に識別するのに十分なほどの一意のアドレスが利用可能になり、その結果、IoTデバイスの数には実質的な制限がなくなりました。スマートシティ、スマートインダストリー、スマートトランスポート、スマートホームなどの新しいコンセプトの出現につれて、何十億台というIoTデバイスのための活躍の場が広がっています。そして、そこには問題が潜んでいます。10億という数字でも、想像するのは難しいです。100万秒は12日ですが、10億秒は31年に相当します。何十億ものセンサーがデータをストリーミングしたり、指示を要求したりすることを想像してみてください。この情報フローは、リモートデータサーバーや監視制御とデータ取得（SCADA：Supervisory Control and Data Acquisition）システムの能力を超えてしまいます。

ここでAIが登場します。AIoTの目的は、ビッグデータIoTシステムを管理可能にするという単純なものです。インテリジェントな自己組織化システムは、トップレベルの介入を必要とせずに、多数のセンサーからのデータが収集、分析、および実行されるローカル処理ループを作成します（図1）

データの収集と通信はIoTネットワークの機能で、データの分析または「洞察」は、独立してパターンを認識し、予測し、適切なアクションを実行できる機械学習やAIシステムの機能です。

AIoTの利点には、スケーラビリティの向上とデータトラフィックの削減（システムに過度な負荷をかけることなく、より多くのセンサーを追加できる）、いわゆる「エッジコンピューティング」を使用したリアルタイムパターン認識（重い「数値計算」作業はセンサーネットワークの「エッジ」でローカルに行われ、ゲートウェイを介して通信する必要があるのは結果とシステム概要のデータセットのみ）、より早い反応時間（数秒ではなく数分の1秒）、フォールトトレランスの大幅な向上（機械学習は、不正確なデータや欠落したデータを特定し、IoT固有の障害検出プロトコルを使用して欠陥ノードをバイパスすることができる）などがあり、そしておそらく最も重要なのは、ヒューマンエラーが減少することです。

これらの利点は、リアルタイムのトラフィックデータを継続的に監視および分析して事故を認識し、緊急車両を優先させ、公共交通機関を最適化するスマートシティから、グリッドバランシング、負荷分散、再生可能エネルギーとエネルギー貯蔵システムの統合などを最適化するスマートグリッド、医療緊急事態の予測と監視にウェアラブル機器を使用するスマートヘルスケア、効率的なジャストインタイムのサプライチェーン管理、最適化された生産ラインと状態に基づくメンテナンスを含むスマートインダストリーなど、多くの「スマート」システムにおける全面的な革新をもたらすでしょう。

他の複雑でインタラクティブかつ大規模なシステムと同じように、動作信頼性が非常に重要になります。機械学習の分析と、根本的にフォールトトレラントなIoT通信ネットワークはAIoTのコンセプトに不可欠ですが、電子機器のための信頼性の高い電源供給も見落としてはいけません。

IoTセンサーとアクチュエーターは長寿命バッテリーによって、またはエネルギーハーベスティングによって電力を供給できると主張する人もいます。これは、太陽電池、熱電発電機（TEG）、または振動トランスデューサーから十分なエネルギーを抽出して、スーパーキャパシターを充電したり、直接IoTトランスポンダーに電力を供給したりできるという考え方です。いくつかのエネルギーハーベスティングプロジェクトを立ち上げ、研究してきた私の個人的な経験から言うと、これは夢物語です。大部分のIoTセンサーやアクチュエーターに電力を供給するために採集できる信頼性の高い環境エネルギーが、単純に不十分であるためです。バッテリーも利用できません。控えめに見積もって100万個のIoTセンサーを使用すると、寿命10年のバッテリーは1日あたり275個の割合で交換する必要があり、通常の稼働時間では約2分ごとに1回のバッテリー交換が必要となります。

AC/DC電源ユニットは、センサー、アクチュエーター、プロセッサー、ゲートウェイへの安全な電気エネルギー供給源であるだけでなく、デジタル通信インターフェイスを追加することでAIoTシステム全体の重要なコンポーネントになります。幸いなことに、すでに成功して実績のあるデジタル電源通信・制御システムアーキテクチャ、つまりパワーマネジメント（PM）バスが存在します。PMバスは、デジタルIC間のオンボード通信に使用される一般的なI^²C（Inter-Integrated Circuit）プロトコルを拡張したものです。I^²Cと同様に、PMバスは2線シリアルインターフェイスであり、データ（SDA）信号とクロック（SCL）信号のみを必要とします。これにより、低コストで簡単に実装でき、大規模システムを実装する際の重要な要素となります。ただしPMバスは、データ転送に破損がないことを確認するための電源の監視と制御用に特別に設計されたコマンドやPEC（パケットエラーチェック）も備えています。

PMバスプロトコルは、デジタル電源をリモートでオン/オフにしたり、電力を節約するためにスタンバイ状態に設定したりできるだけでなく、追加のコマンドセットにより出力電圧のリモート調整、電流と電力制限の設定、AC入力ラインと電源温度の監視、そして内部メモリへの現在および過去のエラーコードやインベントリの理由の問い合わせも可能であるため、AIoTアプリケーションに最適です。PMバス対応電源は、機械学習アルゴリズムと組み合わせることで、AIoTシステム全体のアクティブな部品となり、有用な監視データとアラームデータを提供します（図2）。


PMバスプロトコルの最も強力な機能の一つは、オンザフライ設定コマンドです。例えば、電源が定電圧から定電流または定電力モードに切り替わる前の負荷制限は、外部コマンドにより設定または強制することができます。また、例えば機械学習AIアルゴリズムが、負荷ピークが近づいていると判断した場合、シャットダウンせずに一時的な過負荷に最適に対処できるように電源を事前設定することができます。スマートファン機能は通常、電源自体がファンの速度を制御し、低負荷または低温時にファンをオフにすることでエネルギーを節約し、音響ノイズを低減し、ファンの寿命を延ばす、または負荷が増加するにつれてファンの速度を徐々に上げることを意味します。

AIが特定の負荷パターンを認識した場合、例えば、全負荷充電状態の間に短時間だけ定期的に使用されるバッテリー充電ステーションなどでは、休憩時間中にファンをオフにし、温度を高く保つことで電源の熱サイクルの幅を縮小することを決定する可能性があります。安定した高い動作温度は、通常、連続的な熱サイクル（加熱と冷却の繰り返しによる）よりも、電源内の電子部品に対するストレスが少なくなります。

前述したように、PMバスはI^²Cバスから発展したもので、大きな欠点が生じます。コントローラーは信号ラインのみをプルダウンするので、電源にはクロックまたはデータラインもプルダウンし、バスを引き継いでコントローラーに情報を返送する選択肢があります。これは、どのユニットもアクティブでないときに、PMバスがプルアップ抵抗器に依存してシリアルラインを再度ハイレベルにすることを意味します（図3）。PMバスプロトコルでは、1つの制御ラインで最大127個の個別アドレスを許可しますが、この数のデバイスが1つのバスに接続された場合、合成容量により信号の立ち上がり時間が無効になるまで遅くなります。


もし、多数のPMバス対応電源が1つのバスを共有する場合、それらは低コストのPMバスリピータICを介して通信する、例えば16個のスマート電源のグループに配置する必要があります。これらのバッファICは、約6pFという非常に低入力容量を備えているため、ケーブルが長い場合でもバスに過負荷をかけることなく、PMバスのアドレス空間全体を占有することが可能です。れらは、ターゲット電源の「常時オン」出力の1つから電力を供給できます。これは、主電源段の電源がオフになってもアクティブ状態を維持する低電力5V出力です（図4）。また、「常時オン」出力は、例えば、建物が密集した都市部やノイズの多い工場地帯でもキロメートル範囲の遠隔制御を可能にする長距離（LoRa）トランシーバー回路など、他のデバイスに電源を供給するために十分な電流を提供することができます。


バス制御可能な電源には、インターフェイスコネクタとメインDC出力電源端子が備わっています（図5）。デジタルインターフェイスの利点は、AIの意思決定を支援するために、より包括的なアラート、障害・アラーム信号の伝達ができることです。たとえば、RACM1200-Vには、AC入力障害、DC出力低下、過熱切迫、過熱シャットダウン、過負荷、DC障害状態を示すマルチカラーステータスLEDが組み込まれていますが、デジタルバスインターフェイスでさらに、出力電圧範囲、負荷電流の監視、過負荷状態に対するプログラム可能な事前警告制限も追加できます。これによりAIシステムは、電源がシャットダウンして自らを保護する前に、極端な温度や障害状態に反応するための十分な時間を得ることができます。

以上のように、AIoTは、今後10年間にわたって私たち全員に恩恵をもたらし、さまざまな方法で私たちの生活を向上させる、エキサイティングで新しい実現技術です。RECOMは、AC/DC および DC/DCコンバータの世界有数のメーカーの1つとして、AIoTシステムへのシームレスな統合を可能にするデジタルPMバスインターフェイスを備えた電源を設計および製造することで、このイノベーションをサポートする準備をすでに整えています。

[1] Remi El-Ouazzane „A Tsunami of TinyML Devices is Coming”, EE Times, 07.28.2023