Страж дверей и окон: сенсорный узел с батарейным питанием и возможностью беспроводной передачи данных

21 июня

системы безопасностиавтомобильная электроникапотребительская электроникаTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологиидатчикисредства разработки и материалы

Батарейка ААА, сверхмаломощный повышающий преобразователь, цифровые датчики на основе эффекта Холла – вот составляющие части типовой разработки Texas Instruments для систем безопасности жилых зданий и производственных помещений.

В данной статье рассматривается пример разработки на основе маломощного повышающего преобразователя. Разработка предназначена для использования в дверных и оконных датчиках и cостоит из щелочного элемента питания, повышающего преобразователя со сверхмалым значением тока покоя и цифровых датчиков на основе эффекта Холла со сверхмалым потреблением мощности. Кроме того, предлагаемая схема может питать сверхмаломощный беспроводной Sub1GHz микроконтроллер, используемый для передачи информации о состоянии датчиков.

Особенности:

  • питание от щелочной батарейки;
  • повышающий преобразователь со сверхмалым потребляемым током покоя 300 нА;
  • интегрированный LDO для чувствительной к шуму нагрузки;
  • постоянный режим измерения магнитного поля для непрерывного мониторинга;
  • второй датчик Холла для обнаружения попытки взлома с помощью вносящего искажение магнита.

Применение:

  • автоматизация зданий;
  • дверные и оконные датчики;
  • домашний пульт дистанционного управления.

Описание системы

Датчики используются во многих системах автоматизации зданий и производства чтобы контролировать, открыты или закрыты окна и двери. Центральное устройство контроля выдает сигналы тревоги на основе информации от множества оконных и дверных датчиков. Такие системы строятся на базе беспроводных сенсорных узлов для снижения стоимости монтажа и повышения гибкости системы с возможностью ее будущего расширения. Беспроводной сенсорный узел питается от батареи, напряжение которой зависит от типа и остаточной емкости. Например, напряжение щелочной батареи варьируется от 1,5 до 0,8 В в процессе эксплуатации. Магниты широко применяются в оконных и дверных сенсорных узлах для определения того, открыты окна и двери или закрыты. В типовом исполнении магнит встроен в дверь или окно, а датчик прикреплен к дверной или оконной раме. Датчик с магнитом размещаются на минимальном расстоянии друг от друга, когда дверь или окно закрыты, и удалены друг от друга, когда дверь или окно открыты. Датчики Холла производства Texas Instruments со сверхмалым потреблением разработаны именно для таких задач. Помимо магнитов, для определения движения двери или окна могут использоваться датчики удара. Датчики Холла требуют источника питания с напряжением как минимум 1,8 В, поэтому в случае питания от щелочной батареи необходим повышающий преобразователь со сверхмалым током собственного потребления. Выход повышающего преобразователя также обеспечивает стабильное напряжение для сверхмаломощного беспроводного микроконтроллера (МК), который необходим для передачи информации о состоянии датчиков центральному устройству контроля.

Типовая разработка включает в себя щелочную батарею, повышающий преобразователь со сверхмалым потреблением и два сверхмаломощных цифровых датчика Холла. Образец разработки может быть соединен с платой LaunchPadTM CC1310 посредством двух разъемов для демонстрации функции беспроводного обмена данными в охранной системе.

Ключевые характеристики системы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Ключевые характеристики системы

Параметр Значение
Входной источник питания Щелочная батарея ААА напряжением 1,6…0,8 В
Выходное напряжение повышающего преобразователя, В 3
Допустимая нагрузка по выходному току повышающего преобразователя 90 мА при напряжении батареи 1,2 В
Частота дискретизации датчика, Гц 5
Тип датчика На основе эффекта Холла
Среднее потребление тока в режиме ожидания 6 мкА при комнатной температуре 25°С

Обзор системы

Блок-схема типовой разработки TIDA-050018 приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема TIDA-050018

Рис. 1. Блок-схема TIDA-050018

В данной разработке TI используются следующие изделия:

  • TPS61098 – синхронный повышающий преобразователь со сверхмалым током покоя и с интегрированным LDO или переключателем нагрузки;
  • DRV5032 сверхмаломощный датчик Холла с цифровым ключом.

40-выводный соединитель обеспечивает присоединение платы к беспроводному MCU CC1310 LaunchPad. Дополнительная информация о конфигурации беспроводного МК – в документе «Руководство по разработке маломощного датчика двери/окна с Sub16Hz и 10-летним сроком жизни батареи».

TPS610985 – синхронный повышающий преобразователь со сверхмалым значением тока покоя. В зависимости от версии, он дополнительно включает LDO или переключатель нагрузки. Устройство имеет два режима работы, выбираемых через вывод MODE:

  • активный;
  • маломощный.

В активном режиме задействованы оба выхода с улучшенными показателями по отклику. В маломощном режиме LDO или переключатели нагрузки деактивированы и периферийные компоненты отключены. Потребление тока покоя TPS61098 – всего 300 нА, и при нагрузке 10 мкА в маломощном режиме можно достичь КПД 88%. TPS61098x может обеспечить общий выходной ток до 50 мА при преобразовании входного напряжения 0,7 В в выходное 3,3 В. Устройство TPS610985 основано на топологии гистерезисного контроллера тока и включает в свой состав синхронный выпрямитель для получения максимального КПД. TPS61098x поставляется в корпусе WSON 1,5 мм, что позволяет сэкономить место при компоновке схемы.

DRV5032 – сверхмаломощный датчик на основе эффекта Холла с цифровым ключом, разработанный для компактных систем, чувствительных к емкости батареи. DRV5032 доступен в нескольких версиях, отличающихся магнитной чувствительностью, частотой дискретизации, выходными каскадами и корпусами для адаптации к различным задачам.

Когда плотность потока воздействующего магнитного поля превышает порог ВOP, на выходе устройства формируется низкое напряжение. Выходное напряжение остается низким до тех пор, пока плотность потока не снизится до уровня менее BRP, после чего выход становится высокоомным или формирует высокое напряжение, в зависимости от версии устройства. Задействовав внутренний тактовый источник, DRV5032 периодически измеряет магнитное поле и, соответственно, обновляет выход с частотой 20 Гц или 5 Гц для минимизации потребления тока.

Имеются варианты исполнения микросхемы с откликом как на один из полюсов (unipolar), так и на оба полюс магнита (omnipolar).

Особенности DRV5032:

  • сверхмалое потребление тока – наименьшее в отрасли;
  • диапазон рабочего напряжения 1,65…5,5 В;
  • отклик на один или оба полюса магнита;
  • опции частоты дискретизации 20 или 5 Гц;
  • корпус SOT23 или

В техническом описании DRV5032 имеется калькулятор магнитного поля, показанный на рисунке 2. Для цилиндрических магнитных компонентов 6 мм марки 38 NdFeB дистанция переключения выходного сигнала составляет около 20 мм.

Рис. 2. Калькулятор магнитного поля

Рис. 2. Калькулятор магнитного поля

Теоретическая часть разработки

Представленная схема может быть разделена на силовую часть повышающего преобразователя и цепи датчика Холла.

Разработка источника питания

Схема повышающего преобразователя показана на рисунке 3. TDS610985 требует трех компонентов для генерации 3 В из входного напряжения щелочной батареи:

  • входного конденсатора;
  • индуктивности;
  • выходного конденсатора.

Рис. 3. Схема повышающего преобразователя

Рис. 3. Схема повышающего преобразователя

В рамках данной задачи на входе и выходе достаточно иметь по керамическому конденсатору 10 мкФ. Индуктивность имеет номинал 4,7 мкГн при допустимой нагрузке по току 400 мА. Для TPS610985 имеется переключатель между VMAIN и VSUB. Когда на выводе MODE низкий логический уровень – переключатель выключен, и напряжение VSUB отсутствует. Когда на вывод MODE подается высокий логический уровень – переключатель включен, а напряжение на VSUB следует за VMAIN. VSUB может использоваться для питания нагрузки, потребляющей много энергии, но включаемой редко. Поскольку устройство потребляет больший ток покоя, когда на MODE высокий уровень, VSUB основную часть времени должно быть отключено.

Схема датчика Холла

Внешние цепи показаны на рисунке 4. Напряжение источника питания равно 3 В. Светодиод отображает изменения величины индукции магнитного поля. Если индукция магнитного поля составляет не менее типового значения 3 мТл, вывод OUT находится в низком логическом состоянии и включается LED2. Вывод OUT вновь перейдет в высокое состояние, когда индукция магнитного поля будет меньше уровня 1,5 мТл.

Рис. 4. Цепи датчика Холла

Рис. 4. Цепи датчика Холла

Результаты тестирования

Ниже представлены результаты тестирования данной разработки. При проведении тестов источником питания может быть как электронный блок питания, так и щелочная батарейка.

Потребление тока в режиме ожидания

В таблице 2 показан выходной ток режима ожидания при различных входных напряжениях. Входной ток составляет около 6 мкА при типичном напряжении батареи в 1,2 В.

Таблица 2. Входной ток в режиме ожидания

Параметр Выходной ток батареи при различных напряжениях
Напряжение батареи, В 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
Ток режима ожидания, мкА 10 8,4 7,3 6,4 5,7 5,2 4,8 4,3

Осциллограмма работы повышающего преобразователя

В ждущем режиме TPS610981 функционирует в пакетном режиме (режим пачек импульсов), так как нагрузка очень мала. В пакетном режиме устройство формирует несколько циклов переключения для поднятия уровня Vout, после чего большая часть внутренних цепей отключается для снижения потерь мощности. После снижения выходного напряжения до порогового уровня устройство снова запускает переключения. Как показано на рисунке 5, пульсации выходного напряжения составляют около 20 мВ.

Рис. 5. Пульсация выходного напряжения повышающего преобразователя в режиме ожидания

Рис. 5. Пульсация выходного напряжения повышающего преобразователя в режиме ожидания

На рисунках 6 и 7 показаны графики переключения нагрузки TPS610981. Когда выходной ток равен нулю, устройство функционирует в пакетном режиме. Среднее выходное напряжение в пакетном режиме составляет около 3,1 В, что на 100 мВ выше, чем установленное для выхода 3 В, поскольку внутренним цепям устройства необходимы дополнительные 100 мВ для входа или выхода из пакетного режима. После повышения тока нагрузки до 10 или 50 мА устройство выходит из пакетного режима. Выходное напряжение регулируется на уровне 3 В.

Рис. 6. Скачок нагрузки повышающего преобразователя с 0 до 10 мА

Рис. 6. Скачок нагрузки повышающего преобразователя с 0 до 10 мА

Рис. 7. Скачок нагрузки повышающего преобразователя с 0 до 50 мА

Рис. 7. Скачок нагрузки повышающего преобразователя с 0 до 50 мА

Магнитный отклик

Как показано на рисунке 8, над датчиком Холла DRV5032 размещается цилиндрический магнит диаметром 6 мм и высотой 6 мм. При расстоянии между магнитом и датчиком менее примерно 16 мм датчик формирует на выходе логический низкий уровень и включает красный светодиод. Если расстояние больше чем приблизительно 22 мм, на выходе датчика формируется высокий уровень, и светодиод выключается. На рисунке 9 магнит расположен ближе, так что выходы обоих датчиков переходят на низкий уровень, что говорит о присутствии искажающего магнита злоумышленника.

Рис. 8. Тест магнитного поля

Рис. 8. Тест магнитного поля

Рис. 9. Тест магнитного поля (с приближением)

Рис. 9. Тест магнитного поля (с приближением)

Оценка времени работы батареи

Время работы батареи зависит как от потребления энергии нагрузкой, так и от саморазряда батареи. Щелочная батарея теряет около 3% своей емкости за каждый год хранения при температуре 20°С ввиду постоянно проходящих медленных электрохимических реакций. Повышенная температура ускоряет эти реакции. При 40°С батарея теряет 20% своей емкости после пяти лет хранения.

В данном образце разработки щелочная батарея относится к типу ААА. Ее емкость зависит от величины тока разряда. У использованной в качестве примера щелочной батарейки Energizer емкость составляет около 1100 мА⋅ч при токе разряда 25 мА и 900 мА⋅ч при токе разряда 100 мА. В рамках данной задачи, включающей беспроводную передачу пакета данных, максимальный ток нагрузки не превышает 10 мА. Выходной ток батареи составляет менее 30 мА, поэтому для оценки времени работы батареи может быть использовано значение емкости 1100 мА⋅ч.

Предположим, что при времени работы 5 лет общая используемая нагрузкой емкость составит около 780 мА⋅ч. Учитывая значение тока покоя 6 мкА, емкость, израсходованная на него за 5 лет составит около 260 мА⋅ч, так что остаточная емкость батареи для организации беспроводной передачи данных и работы с другими датчиками будет равна 520 мА⋅ч. В этих условиях средний выходной ток повышающего преобразователя может быть подсчитан по формуле 1 и составит около 4 мкА:

$$I_{IN}=\frac{Емкость\:батареи\:(мА\cdot час)}{n\times 8760\:часов}\times \frac{V_{IN}\times \eta}{V_{OUT}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • n = 5 (лет);
  • VIN – входное напряжение повышающего преобразователя (в среднем – 1,2 В);
  • VOUT = 3 В – выходное напряжение повышающего преобразователя;
  • η ≈ КПД повышающего преобразователя.

Согласно референс-дизайну TIDUC69, среднее потребление при беспроводном обмене составляет лишь 0,3 мкА. Таким образом, остается еще около 3,7 мкА для питания других нагрузок, например, датчиков температуры или влажности.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
TPS61098DSET (TI)
TPS610981DSER (TI)
TPS610982DSET (TI)
TPS610986DSER (TI)
TPS61098DSER (TI)
TPS610981DSET (TI)
TPS610985DSER (TI)
DRV5032FBDBZT (TI)
DRV5032-SOLAR-EVM (TI)
DRV5032AJDBZR (TI)
DRV5032DUDBZR (TI)
DRV5032FADBZR (TI)
DRV5032FBDBZR (TI)
DRV5032FDDMRR (TI)
CC1310F128RHBT (TI)
CC1310F128RGZT (TI)
CC1310F128RHBR (TI)
CC1310EMK (TI)
CC1310F32RGZR (TI)
CC1310F32RSMR (TI)