Zaloguj się
Wszystkie
2 lipca 2025
63
Microchip Technology
Opisany problem wynika z prostego faktu – większe źródło energii jest potrzebne w celu spełnienia wymogów odnośnie do prądu szczytowego w czasie transmisji bezprzewodowej za pośrednictwem łącza NB-IoT. Wyższy impuls prądowy wymaga zestawu baterii i superkondensatora, by móc zapewnić odpowiednią wydajność prądową w warunkach zwiększonego obciążenia chwilowego. Wybrana pojemność tego superkondensatora jest często również nadmiarowa ze względu na wewnętrzne straty tego elementu, spowodowane prądem upływu i wahaniami wydajności superkondensatora w różnych temperaturach roboczych. Krótko mówiąc, zarówno zestaw baterii, jak i superkondensator są dobierane w sposób nadmiarowy, co prowadzi nie tylko do większych rozmiarów urządzenia, ale także zawyżonych kosztów implementacji.
Specyfikacja NB-IoT działa w licencjonowanym spektrum i na duże odległości, korzystając z sieci komórkowej 4G LTE. Istnieją jednak dwa różne modele operacyjne i wiele poziomów mocy, które wpływają na projekt podsystemu zasilania i specyfikację źródła energii. Oryginalna odmiana protokołu NB1 przesyła dane z prędkością 26 kbit/s w przypadku łącza „w dół” (downlink) lub 66 kbit/s w górę („uplink”), w wąskim paśmie radiowym 180 kHz i zazwyczaj transfer danych z czujnika odbywa się raz dziennie. Modem pozostaje zatem w trybie uśpienia przez 99,9% czasu.
Najnowsza wersja NB2 zwiększa te wartości do 127 kbit/s (downlink)/159 kbit/s (uplink) i dodaje nową klasę mocy transmisji 14 dBm do połączeń w sieciach inteligentnych czujników o większym zasięgu. Przekłada się to na typowy pobór prądu wynoszący 155 mA w najnowszych modułach NB-IoT, przy czym szczytowe natężenie prądu wynosi zwykle 275 mA.
Zoptymalizowaną topologię podsystemu zasilania zapewnia najnowszy projekt referencyjny firmy Microchip. Stanowi on niezawodne, wydajne i niedrogie rozwiązanie zasilania do systemów NB-IoT, takich jak inteligentne liczniki, czujniki przemysłowe, inteligentne farmy itp.. Opracowana konstrukcja radykalnie zmniejsza rozmiar superkondensatora, a tym samym redukuje wymaganą liczbę baterii w dowolnym systemie NB IoT. To zaś przekłada się na zmniejszenie poboru mocy i rozmiarów całego rozwiązania, np. w aplikacjach smart home.
Projekt referencyjny ogranicza rozmiar superkondensatora 20-krotnie, umożliwiając zastosowanie mniejszego pakietu baterii o dłuższej żywotności i wyższej niezawodności. Jest to również cenne w przypadku innych aplikacji dalekiego zasięgu, które korzystają z NB-IoT, takich jak śledzenie zasobów czy inteligentne rolnictwo. Kluczowym rozwiązaniem zastosowanym w projekcie są oddzielne ścieżki dużej i małej mocy, połączone z programowalnym przełącznikiem obciążenia. Całość jest kontrolowana przez 16-bitowy mikrokontroler, który może przełączać się z trybu uśpienia (o bardzo niskim zużyciu energii) na tryb dużej mocy (w celu transmisji danych).
W trybach głębokiego uśpienia lub nasłuchu ścieżka dużej mocy pozostaje wyłączona, a układ zasilania o niskim prądzie spoczynkowym, oparty na stabilizatorze LDO i przełączniku zasilania typu high-side, jest aktywny. Pomaga to wydłużyć żywotność baterii i ogólną wydajność systemu.
Aby zapewnić wymagany prąd szczytowy w trybie dużej mocy, w projekcie zastosowano niedrogie i dokładne, liniowe źródło prądowe (MIC2039) do wstępnego ładowania superkondensatora tuż przed spodziewaną fazą transmisji o dużym zapotrzebowaniu na moc. Takie rozwiązanie eliminuje potrzebę stosowania specjalnych narzędzi do procesu wstępnego ładowania superkondensatora, a – co za tym idzie – optymalizuje proces produkcji i oszczędza koszty. Zastosowanie dokładnego źródła prądowego do naładowania superkondensatora o pojemności 470 mF skutkuje deterministycznym czasem ładowania, przy czym właściwe napięcie jest osiągane szybciej niż przy zastosowaniu prostego układu RC. MIC2039 ma regulowany limit prądu wyjściowego (ustawiany rezystorem w zakresie od 0,2 A do 2,5 A), a także funkcję kickstart, która obsługuje chwilowe skoki prądu (ograniczone do wartości drugiego prądu progowego) podczas rozruchu lub pracy w stanie ustalonym. Taki sposób działania okazuje się przydatny w ładowaniu obciążeń o wysokich prądach rozruchowych, takich jak kondensatory wspierające zasilanie układu w fazie transmisji NB-IoT i pomaga zoptymalizować rozmiar superkondensatora.
W tym nowatorskim układzie zasilania ścieżka dużej mocy ładuje superkondensator do napięcia zbliżonego do napięcia baterii (około 3,6 V). Superkondensator kompensuje spadki napięcia i ograniczenia w zakresie prądu obciążenia pakietu, zasilając przy tym synchroniczną przetwornicę podwyższającą napięcie (MIC2875). Ta zaś działa w trybie obejścia (bypass) lub podwyższenia napięcia, w zależności od napięcia naładowania superkondensatora. 2-megahercowa, synchroniczna przetwornica reguluje napięcie wyjściowe w ścieżce dużej mocy za pomocą przełącznika 4,8 A i oferuje dwukierunkową funkcję odłączania obciążenia, która zapobiega wszelkim prądom upływu między wejściem a wyjściem, w czasie gdy urządzenie pozostaje nieaktywne. Dzięki takiemu rozwiązaniu 100% pojemności baterii jest użyteczne, co dodatkowo wydłuża jej żywotność lub umożliwia użycie mniejszego źródła energii. Przetwornica typu boost umożliwia ponadto działanie całości nawet wtedy, gdy bateria jest rozładowana poniżej napięcia znamionowego, a dodatkowo zapobiega jej przeciążeniu, zapewniając jednocześnie możliwie najszybsze i najdokładniejsze ładowanie. Przełącznik obciążenia odłącza superkondensator od baterii, aby zmniejszyć prąd upływowy, gdy nie jest wymagana duża moc.
Wybór chemii źródła energii jest również istotny. Projekt bazuje na ogniwach pierwotnych typu LiSOCl2 (chlorek litowo-tionylowy), ponieważ oferują one najlepszy kompromis między kosztem, rozmiarem i wymaganą wydajnością, szczególnie z uwagi na bardzo niski prąd samorozładowania. Są one łatwo dostępne w formatach AA i AAA, w zależności od wymagań żywotności projektu. Aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię w czasie realizacji różnych zadań, napięcie na superkondensatorze może się zmieniać w zakresie od 2,5 V do 3,65 V, a superkondensator można odłączyć od zasilanego układu, wyłączając przełącznik obciążenia. Przetwornica podwyższająca napięcie automatycznie przełącza się w tryb bypass, gdy napięcie wejściowe przewyższa docelowe napięcie wyjściowe. Przy małych obciążeniach przetwornica przechodzi natomiast w tryb PFM, by dodatkowo zwiększyć wydajność. Zintegrowany przełącznik konwertera DC/DC realizuje ponadto funkcję anti-ringing, co pozwala zminimalizować zakłócenia EMI – ta cecha jest natomiast szczególnie pożądana w projektach liczników z łączami bezprzewodowymi.
Podsumowanie
Opisywany projekt referencyjny układu zasilania z użyciem baterii jednorazowej, opracowany i sprawdzony w praktyce przez firmę Microchip, łączy niedrogi, 16-bitowy mikrokontroler ze ścieżką dużej mocy (do ładowania superkondensatora w celu zasilania układu podczas transmisji radiowej) i ścieżką małej mocy (do obsługi trybów uśpienia i nasłuchu). Programowalny przełącznik steruje przejściem między tymi dwiema ścieżkami. Dzięki takiemu rozwiązaniu superkondensator może być 20 razy mniejszy niż w klasycznych topologiach, a dodatkowo redukcji ulega zapotrzebowanie na pojemność i wydajność prądową baterii. Zastosowanie ogniw litowo-tionylowych oferuje również najlepszy kompromis między kosztami, rozmiarem i wydajnością. Taka kombinacja baterii, superkondensatora i układu aktywnego zarządzania przepływem energii poprawia niezawodność inteligentnych sieci czujnikowych i wydłuża czas pracy bez konieczności wymiany baterii, co docelowo obniża koszty ponoszone tak przez dostawców sprzętu, jak i jego operatorów.
Opracowano na podstawie: https://www.microchip.com/en-us/tools-resources/reference-designs/narrowband-iot-reference-design
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
