Microchip Technology Inc.
Avtor: Furqan Noor, inženir za aplikacije pri Microchip Technology
NB-IoT je ključna brezžična tehnologija za zagotavljanje daljinskih in zanesljivih komunikacijskih povezav za vse vrste pametnih povezanih senzorjev.
Izzivi, povezani z namestitvijo teh senzorjev na različnih lokacijah, ob zagotavljanju zanesljivih podatkovnih povezav za daljša časovna obdobja, so pripeljali do izbire večjih in dragih nepolnilnih baterijskih paketov za napajanje teh NB-IoT sistemov. To je povzročilo višje stroške tako za sistem kot za zamenjavo baterijskih paketov, skupaj z večjo celotno sistemsko rešitvijo, ki ni primerna za trendovske kompaktne aplikacije z omejenim prostorom. Ti sistemi pogosto temeljijo na nepolnilnih litij-tionilkloridnih baterijskih paketih. Ti paketi morajo na oddaljenih lokacijah delovati čim dlje, brez servisa ali zamenjave, da se zagotovi zanesljiva in trajna rešitev omrežja IoT.
To se zgodi, ker je potreben večji baterijski paket, da se izpolni zahteva po največjem toku v fazi prenosa brezžične povezave NB-IoT. Višji tokovni impulz zahteva baterijski paket in sistem superkondenzatorjev (supercap), da se zagotovi največji tok za brezžični prenos. Izbrana kapacitivna vrednost tega superkondenzatorja je pogosto prekomerno določena zaradi notranjih izgub toka, povezanih s konstrukcijo superkondenzatorja in nihanji v delovanju pri različnih delovnih temperaturah. Skratka, tako baterijski paket kot superkondenzator sta prekomerno določena, kar vodi do večje velikosti, dražje in manj učinkovite rešitve.
Specifikacija NB-IoT deluje v licenciranem spektru na dolge razdalje z izkoriščanjem mobilnega omrežja 4G LTE. Vendar obstajata dva različna operativna modela in veliko različnih ravni moči, ki vplivajo na zasnovo napajalnega sistema in specifikacijo akumulatorskega paketa. Prvotna različica protokola NB1 zagotavlja podatke s hitrostjo 26 kbit/s za povezavo navzdol ali 66 kbit/s za povezavo navzgor na ozkem 180 kHz radijskem pasu in običajno enkrat na dan prenese podatke iz senzorja. Zaradi tega je modem 99,9 % časa v mirovanju.
Najnovejši NB2 to poveča na 127 kbit/s za prenos podatkov in 159 kbit/s za pošiljanje podatkov ter dodaja nov močnostn razred s 14 dBm prenosno močjo za povezave pametnih senzorjev z večjim dosegom. To pomeni porabo toka 155 mA v najnovejših modulih NB-IoT, kjer je največji tok običajno 275 mA.
Optimizirana referenčna zasnova napajalne sheme podjetja Microchip ustvarja zanesljivo, učinkovito in cenovno dostopno napajalno rešitev za sisteme NB-IoT, kot so industrijski senzorji, pametne kmetije in pametni števci. Ta zasnova bistveno zmanjša velikost superkondenzatorja, s čimer se zmanjša potrebno število baterijskih paketov za katero koli napajalno rešitev NB IoT. To zmanjša porabo energije in velikost celotne rešitve NB IoT, npr. aplikacij za pametne domove ali pametne števce.
Ta referenčni dizajn zmanjša velikost superkondenzatorja za oba načina prenosa za faktor 20, kar omogoča manjši akumulator z daljšo življenjsko dobo pred zamenjavo in večjo zanesljivostjo. To je pomembno tudi za druge aplikacije na dolge razdalje, ki uporabljajo NB-IoT, kot so sledenje sredstev ali pametno kmetijstvo.
Ključ do referenčnega modela so ločene poti za visoko in nizko moč, skupaj s programirljivim stikalom obremenitve. To nadzira 16-bitni mikrokontroler, ki lahko preklopi iz nizkoenergetskega načina mirovanja v visokoenergetski način za prenos.
V načinu globokega spanja ali poslušanja je pot visoke moči onemogočena, aktiviran pa je tokokrog z nizko porabo energije, ki temelji na regulatorju z nizkim padcem napetosti (LDO) in visokostranskem stikalu za napajanje. To pomaga podaljšati življenjsko dobo akumulatorja in splošno učinkovitost sistema.
Da bi zagotovili potrebni vršni tok v načinu visoke moči, ta zasnova uporablja nizkocenovni natančen linearni vir toka MIC2039 za predhodno polnjenje superkondenzatorja tik pred fazo prenosa visoke moči. To odpravlja potrebo po posebnem orodju za predhodno polnjenje superkondenzatorja, kar omogoča učinkovitejše proizvodne procese in prihrani stroške za s tem povezano vzdrževanje. Uporaba tega natančnega vira toka za polnjenje superkondenzatorja 470 mF omogoča deterministični čas polnjenja ali čas obnovitve polnjenja, ki se hitreje približuje napetosti akumulatorja kot zasnova z uporom in kondenzatorjem (RC).
MIC2039 ima nastavljivo omejitev izhodnega toka, ki je programirljiva z uporom od 0,2 A do 2,5 A, ter funkcijo kickstart, ki omogoča trenutne visoke tokove do sekundarne omejitve toka med zagonom ali med delovanjem v stabilnem stanju. To je koristno za polnjenje obremenitev z visokimi zagonskimi tokovi, kot so kondenzatorji za fazo prenosa povezave NB-IoT, in pomaga optimizirati velikost superkondenzatorja.
Ta novi sistem napajanja poti visoke moči, uporablja baterijski paket, ki superkondenzator napolni do napetosti, ki je blizu napetosti baterijskega paketa (okoli 3,6 V). Superkondenzator kompenzira padce napetosti in omejitve toka baterijskega paketa. Superkondenzator napaja sinhroni boost pretvornik MIC2875, ki deluje bodisi v premostitvenem bodisi v boost načinu, odvisno od napetosti superkondenzatorja. Sinhroni boost pretvornik 2 MHz regulira izhodno napetost visoke moči s stikalom 4,8 A in ima dvosmerno funkcijo odklopa obremenitve, ki preprečuje kakršenkoli uhajanje toka med vhodom in izhodom, ko je naprava izklopljena. Ta DC-DC boost pretvornik omogoča 100-odstotno izkoriščenost zmogljivosti baterije, kar dodatno podaljšuje življenjsko dobo baterijskega paketa ali omogoča uporabo manjšega paketa. Funkcija boost omogoča delovanje naprave tudi takrat, ko je baterija izpraznjena pod svojo nazivno napetost. To preprečuje tudi preobremenitev baterijskega paketa, hkrati pa zagotavlja najhitrejše in najnatančnejše polnjenje. Stikalo za odklop bremena odklopi superkondenzator od baterijskega paketa, da se zmanjša slepi tok, ko visoka moč ni potrebna.
Pomembna je tudi izbira kemijske sestave baterijskega paketa. V zasnovi so uporabljene primarne celice LiSOCl2 (litij-tionil klorid), saj ponujajo najboljši kompromis med ceno, velikostjo in zahtevano zmogljivostjo, zlasti z izjemno nizkim tokom samopraznjenja.
Te so na voljo v oblikah AA in AAA, odvisno od zahtev glede življenjske dobe zasnove. Napetost na superkondenzatorju lahko variira od 2,5 V do 3,65 V, da podpira potrebe po energiji različnih nalog, superkondenzator pa se lahko odklopi od aplikacije z onemogočenjem stikala obremenitve. Boost pretvornik deluje samodejno v premostitvenem načinu, ko je vhodna napetost večja od ciljne izhodne napetosti. Pri majhnih obremenitvah boost pretvornik preide v PFM način, da izboljša učinkovitost. DC-DC pretvornik ima tudi vgrajeno stikalo proti zvonjenju, ki zmanjšuje elektromagnetne motnje, kar je pomembno za zasnove merilnikov z brezžičnimi povezavami.
Preverjeni referenčni dizajn napajalnega sistema za nepolnilne baterije, ki ga je razvil Microchip, združuje cenovno ugoden 16-bitni mikrokontroler z visokozmogljivo potjo za polnjenje superkondenzatorja za RF prenos in nizko zmogljivo potjo za načina mirovanja in poslušanja. Programabilno stikalo nadzira prehod med obema potema.
To omogoča, da je superkondenzator 20-krat manjši od drugih modelov, prav tako pa se lahko uporabi relativno manjši akumulator. Uporaba primarnih litij-tionilovih celic ponuja tudi najboljši kompromis med ceno, velikostjo in zmogljivostjo.
Ta kombinacija akumulatorja, superkondenzatorja in upravljanja z energijo izboljša zanesljivost pametnih senzorskih omrežij in podaljša čas, potreben za zamenjavo akumulatorjev, s čimer se zmanjšajo stroški za dobavitelje opreme in operaterje.
Vir:
https://www.microchip.com/en-us/tools-resources/reference-designs/narrowband-iot-reference-design
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
