Система батарейного питания для беспроводного LTE-модуля NB-IoT

8 октября

системы безопасностиучёт ресурсовинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниядискретные полупроводники

Милен Стефанов, Шуан Фэн (Texas Instruments)

Типовая разработка Texas Instruments с тремя преобразователями питания совместно с микросхемами контроля состояния разряда позволяет точно измерить состояние литиевых батареек в NB-IoT-устройствах и передать эту информацию по сотовой сети.

Эта типовая разработка демонстрирует три различные архитектуры электропитания для интеллектуальных расходомеров с первичными батареями из литий-диоксид марганца (LiMnO2) и коммерческих готовых узкополосных модулей для приложений интернета вещей (Internet of Things, IoT). Три варианта организации питания объединены на одной плате как пример практической подсистемы батарейного питания интеллектуального расходомера c функцией оценки срока службы батареи (State-of-Health, SOH). Постоянно включенный внутрисистемный мониторинг тока обнаруживает пиковый ток RF-передачи, а измерение SOH выполняется с регулируемой задержкой для получения более точных результатов.

Высокоэффективные схемы электропитания для сотовых NB-IoT-модулей с индикатором уровня заряда аккумуляторов BQ35100 обеспечивают данные о сроке службы батареи в режиме реального времени, что позволяет производить замену батареи с подходящим к концу зарядом.

NB-IoT – это узкополосная радиотехнология интернета вещей, разработанная 3GPP и использующая маломощную глобальную сеть (LPWAN) для охвата более широкой области в течение длительного периода времени в небольшом объеме данных.

Документация для разработки:

  • документация по проектированию TIDA-010053;
  • документация на изделие TPS610995;
  • документация на изделие TPS63802;
  • документация на изделие TPS62840;
  • документация на изделие CSD13385F5;
  • документация по проектированию TIDA-01546.

Функциональные возможности:

  • точное измерение заряда батареи в системе с использованием возможностей устройства BQ35100;
  • постоянный мониторинг тока 1 мкА в системе с регулируемыми верхними и нижними порогами для различных состояний профиля питания с помощью ИС ADS7142 + LPV521;
  • поддержка одного или двух последовательно соединенных первичных элементов LiMnO2;
  • сравнение КПД для разных принципов организации питания – повышения, понижения или понижения/повышения напряжения от батареи.

Области применения:

  • счетчики газа, воды, тепла с батарейным питанием, использующие технологию NB IoT для передачи данных;
  • интеллектуальные счетчики энергии (Automated Meter Reading, AMR) с батарейным питанием, использующие технологию NB IoT для передачи данных;
  • устройства слежения за грузами и имуществом с батарейным питанием, использующие технологию NB IoT для передачи данных;
  • модули/метки датчиков контроля перевозимых грузов, использующие технологию NB IoT для передачи данных.

Описание системы

Узкополосный IoT (Narrowband IoT, NB-IoT) – это основанная на стандартах 3GPP технология маломощной глобальной сети (Low-Power Wide Area, LPWA), которая использует лицензированный спектр и может работать совместно с сотовыми сетями 3G и 4G. Несколько операторов в Европе и Северной Америке внедряют услуги NB-IoT для интеллектуальных устройств, таких как транспортные средства, подключенные мониторы медицинского контроля, портативная электроника, интеллектуальные счетчики, отслеживание активов и многие другие. Технология NB-IoT отличается от технологии IoT LTE CAT-M (также известной как LTE-M), используемой некоторыми операторами мобильной связи США, поскольку NB-IoT является отдельной сетью, а не частью существующей сети оператора LTE. Широкая доступность сенсорной сети открывает путь для инновационных и экономически эффективных решений NB-IoT практически во всех сферах бизнеса, включая промышленный транспорт и логистику, промышленную автоматизацию и общественный сектор.

Интеллектуальные коммунальные счетчики с батарейным электропитанием, включая газовые, водяные и тепловые счетчики – привлекательная рыночная ниша для технологии NB-IoT, которая претендует на обеспечение надежного подключения в любом месте внутри зданий. Другие характеристики NB-IoT – это малая стоимость готового устройства, расширенный охват площади на местности и внутри помещений по сравнению с существующими глобальными технологиями, безопасное подключение и надежная аутентификация, а также упрощенная топология и развертывание сети. Последнее кажется основным преимуществом по сравнению со всеми существующими технологиями LPWA, каждая из которых требует установки и обслуживания собственной радиосети, содержащей несколько устройств сбора данных и концентраторов данных.

Основное преимущество стандартизированных в 3GPP решений сотовых LPWA заключается в том, что они поддерживают огромную существующую экосистему и поэтому могут быть развернуты быстрее, а также имеют единый регулирующий орган, который обеспечивает соблюдение стандарта и контролирует совместимость через поставщиков и операторов мобильной связи. Этот стандарт LPWA поддерживается консорциумом 3GPP в 13 и 14 выпусках спецификаций.

Технические характеристики системы

В таблице 1 приведены основные характеристики системы. 

Таблица 1. Основные технические характеристики системы

Параметр Технические характеристики
Напряжение батареи: 3,2 В или 6,4 В
(в конфигурации 1 или 2 элемента)
Батарея – первичный элемент LiMnO2 (FDK CR17500EP)
Потребляемая мощность (нагрузка) Электронная нагрузка или стандартный RF-модуль NB-IoT
Среднее потребление тока в активном состоянии (в режиме передачи) 250 мА
Продолжительность активного состояния 24 мс или 384 мс
Ток покоя Iq <60 нА (TPS62840) или <1 мкА (TPS610995) или 11 мкА (TPS63802)
Длительность в дежурном режиме 59,616 с или 2,616 с (форсированное тестирование разряда элемента)
Операции TX в час 1 в минуту или 1 в 3 секунды
Расчетное потребление энергии 2053 мА⋅ч при передаваемом импульсном сигнале 384 мс (без потерь преобразования и 100% сроком службы батареи при 20…30°C)
Измеренный срок службы батареи >15 лет (4 цикла RF-передачи в день при 20…30°C)

Обзор системы

Первичные батареи LiMnO2 становятся все более популярными во многих приложениях с поддержкой IoT из-за их способности выдавать сильный пиковый ток до 4000 мА в импульсе (для более подробной информации ознакомьтесь с документом «Лист технических данных FDK CR17500EP») без какого-либо снижения производительности и без применения внешних гибридно-пленочных конденсаторов (Super-Pulse Capacitors, HLC) или суперимпульсных конденсаторов (SPC), которые необходимы для первичных элементов LiSOCl2. Батареи LiMnO2 считаются менее токсичными и не теряют своей емкости, если установлены в неоптимальном месте внутри конечного изделия.

Основным недостатком элементов LiMnO2 является более низкое напряжение элементов: начальное составляет примерно 3,2 В для новых батарей при 23°C, а конечное 2,0 В. Последнее значение является общим для предельного напряжения разрядки (или конца срока службы).

Многие стандартные модули сотовой связи NB-IoT, например, u-blox SARA-N211 или Quectel BC95-B8, требуют минимального напряжения питания 3,1 В или выше для правильной работы. Таким образом, обязательной становится функция повышения напряжения, особенно при использовании одиночного элемента LiMnO2, что типично для многих бытовых счетчиков, например, счетчиков газа, воды или тепла.

Во многих приложениях предпочтительными могут быть два последовательно соединенных элемента, здесь подходит топология понижения (buck) для преобразования входного напряжения.

Блок-схема

Блок-схема проекта приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема проекта

Рис. 1. Блок-схема проекта

Аспекты разработки

Для более простого сравнения различных архитектур электропитания в идентичных условиях испытаний типовая разработка TIDA-010053 объединяет понижающий преобразователь TPS62840, повышающий преобразователь TPS610995 и комбинированный понижающе/повышающий преобразователь TPS63803 на одной печатной плате. В качестве нагрузки могут быть использованы либо модуль NB-IoT, подключенный к сотовой сети, либо имитирующий модуль. Устройства повышения и понижения/повышения поддерживают схему с одним первичным элементом LiMnO2, тогда как устройство с понижением напряжения позволяет использовать две соединенных последовательно батарейки. Печатная плата позволяет проводить испытания этих трех устройств в одинаковых условиях, чтобы найти наилучшее техническое решение для каждого варианта использования.

В приложениях интеллектуального учета расходуемых ресурсов имеется множество ограничений, влияющих на выбор архитектуры питания. Интеллектуальные счетчики тепла, а также дополнительные радиочастотные модули для механических счетчиков воды, как правило, физически ограничены по размеру, (смотрите Нормативные документы EN1434 для воды и EN4064 для счетчиков тепла). Например, дополнительные модули безлицензионного радио 868 МГц для стандартных счетчиков воды могут работать до 5…6 лет от батареи емкостью 1…2 А⋅ч при передаче данных по протоколу RF wM-Bus (EN13757) в T- или C-режимах.

Новые коммуникационные модули NB-IoT действительно имеют такой же механический размер и занимаемую площадь печатной платы, что и существующие радиочастотные решения с частотой менее 1 ГГц, но обеспечивают увеличенную дальность связи за счет более высокого среднего энергопотребления при использовании более высокой передаваемой мощности в лицензированных полосах частот мобильных сетей.

Поскольку мобильные сети контролируются операторами сотовой связи, включая функции энергосбережения, которые сильно влияют на энергопотребление модуля NB-IoT, почти невозможно предсказать срок службы батареи модуля NB-IoT внутри интеллектуального счетчика или любого другого устройства IoT.

В данном примере практического проектирования предлагается решение этой проблемы путем измерения разряда батареи специальной микросхемой BQ35100 (подробнее можно узнать из документации на TIDA-01546). BQ35100 позволяет выполнять точное внутрисистемное измерение состояния работоспособности (State-of-Health, SOH) для элементов LiMnO2 и сообщать по беспроводному каналу значение SOH через сеть NB-IoT. Обновление статуса SOH устройством BQ35100 занимает приблизительно одну секунду и может выполняться достаточно редко, например, для свежей батарейки – всего один раз в несколько недель или даже месяцев, что позволяет сэкономить энергию. Последующий период обновления SOH можно непрерывно корректировать на основе алгоритма, который учитывает ожидаемый разряд батареи и сравнивает его с измеренными данными SOH, подробнее об этом сказано в разделе «Измеренный BQ35100 разряд при работе с TPS62840».

Для максимальной точности SOH компания Texas Instruments рекомендует измерять заряд батарейки с помощью BQ35100 только по прошествии достаточного времени релаксации после сильноточного импульса тока, чтобы осуществить RF-передачу. Например, измерительное устройство BQ35100 включается через 10 минут после последнего импульса тока, используемого для передачи данных NB-IoT, но 10-минутный период задержки может быть программно изменен на любое другое подходящее значение. Монитор работоспособности системы ADS7142 в разработке TIDA-01546 используется для обнаружения сильноточного импульса, и приложение ожидает в течение периода релаксации батареи перед выполнением измерения SOH.

Используемые компоненты

Конструкция TIDA-010053 включает в себя три современных микросхемы импульсных преобразователей питания на одной печатной плате, причем устройства повышения и понижения/повышения поддерживают повышение напряжения одного первичного элемента LiMnO2 до 3,3 или 3,6 В. Устройство понижения со сверхмалым значением тока IQ позволяет использовать два первичных элемента последовательно и регулирует выходное напряжение до 3,3 В.

TPS610995 (рисунок 2) представляет собой синхронный повышающий преобразователь со сверхнизким током покоя 1 мкА. Он предназначен для изделий, работающих от щелочных батарей, никель-металлогидридных (NiMH) батарей, LiMnO2-батарей или перезаряжаемых литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов, для которых высокая эффективность в условиях малой нагрузки имеет решающее значение для увеличения срока службы батареи.

Рис. 2. Функциональная блок-схема TPS610995

Рис. 2. Функциональная блок-схема TPS610995

Повышающий преобразователь TPS610995 использует гистерезисную топологию управления для получения максимального КПД при минимальном токе покоя. Он потребляет ток покоя всего 1 мкА в условиях малой нагрузки, и его КПД может достигать 75% при нагрузке 10 мкА в версии с фиксированным выходным напряжением. Преобразователь также может поддерживать выходной ток до 300 мА при преобразовании  3,3 В в 5 В, и КПД достигает 93% при нагрузке 200 мА.

TPS610995 также обеспечивает режим понижения напряжения и возможность сквозного пропускания напряжения (транзит входа на выход) для различных приложений. В режиме понижения напряжения выходное напряжение все еще может регулироваться на заданном значении, даже если входное напряжение выше, чем выходное напряжение. В режиме сквозного пропускания выходное напряжение соответствует входному. TPS610995 выходит из режима понижения напряжения и входит в режим сквозного пропускания, когда VIN > VOUT + 0,5 В.

Семейство ИС TPS61099х поддерживает функцию истинного отключения при повреждении, которая отсоединяет нагрузку от источника питания с целью снижения потребления тока. Существуют версии как с регулируемым выходным напряжением, так и с фиксированным выходным напряжением, например, TPS610995, используемая в этом примере. Микросхема доступна с 6 шариками в корпусе WCSP размером 1,23×0,88 мм и в 6-контактном корпусе WSON размером 2×2 мм.

ИС TPS63802 (рисунок 3) используется, когда входное напряжение выше, равно или ниже выходного напряжения. Выходные токи до 2 А поддерживаются в широком диапазоне напряжений. ИС ограничивает пиковый ток на уровне 4,5 А в режиме повышения (boost) и 3,5 A в режиме понижения (buck). Микросхема настроена на запрограммированное выходное напряжение. ИС TPS63802 поставляется в корпусе размером 2×3 мм. При ее подключении используются миниатюрные пассивные компоненты, чтобы позволяет сохранять небольшие габариты устройства. Комбинированный преобразователь (понижение/повышение, или buck-boost converter) TPS63802 использует четыре внутренних ключа для поддержания синхронного преобразования мощности при любых возможных условиях работы.

Рис. 3. Функциональная блок-схема TPS63802

Рис. 3. Функциональная блок-схема TPS63802

Это позволяет устройству сохранять высокий КПД в широком диапазоне входного напряжения и выходной нагрузки. Чтобы регулировать выходное напряжение при всех возможных значениях входного, устройство автоматически переключается между режимами понижения, повышения и понижения/повышения напряжения, в соответствии с конфигурацией. В режимах понижения и повышения напряжения всегда используется один активный ключ, один выпрямительный ключ, один ключ в режиме «ВКЛЮЧЕН» и один ключ, удерживаемый в режиме «ВЫКЛЮЧЕН». Устройство остается в режиме понижения/повышения напряжения в течение трех циклов, когда входное напряжение приблизительно равно выходному напряжению. Переходы происходят плавно и позволяют избежать нежелательных переключений в рамках одного режима.

ИС TPS62840 представляет собой синхронный понижающий преобразователь со сверхмалым потреблением тока покоя (рисунок 4). Используя топологию TI DCS-Control™, устройство расширяет рабочую область с высоким КПД вплоть до микроампер тока нагрузки во время работы в режиме энергосбережения.

Рис. 4. Функциональная блок-схема TPS62840

Рис. 4. Функциональная блок-схема TPS62840

DCS-Control (прямое управление с плавным переходом в энергосберегающий режим) производства компании TI представляет собой усовершенствованную топологию регулирования, которая сочетает в себе преимущества гистерезисного управления и управления режимом напряжения. Характеристики DCS-Control обеспечивают отличное регулирование нагрузки переменного тока, хорошую переходную характеристику, низкое пульсирующее напряжение на выходе и плавный переход между режимами ЧИМ (PFM) и ШИМ (PWM). DCS-Control включает в себя контур переменного тока, который измеряет выходное напряжение (вывод VOS) и напрямую передает эту информацию на вход быстродействующего компаратора.

Устройство работает с псевдофиксированной частотой 1,8 МГц (типовое значение). Петля обратной связи по напряжению с высоким коэффициентом усиления используется для точного регулирования нагрузки постоянного тока. Для сохранения дополнительного тока покоя в условиях малой нагрузки (то есть IOUT в диапазоне мА) усилитель внутренней ошибки отключается, что обеспечивает его минимальное влияние на линию постоянного тока и характеристику регулирования нагрузки. Сеть регулирования со внутренней компенсацией обеспечивает быструю и стабильную работу с небольшим количеством внешних компонентов и допускает использование конденсаторов с низким ESR, или ЭПР – эквивалентным последовательным сопротивлением.

В режиме энергосбережения частота переключения изменяется линейно, в зависимости от тока нагрузки. Поскольку DCS-Control поддерживает оба режима работы с единым компоновочным блоком, переход от ШИМ к ЧИМ является плавным, с минимальной пульсацией выходного напряжения. Устройство TPS62840 как обеспечивает отличное регулирование напряжения, так и превосходно отрабатывает переходные процессы при изменении нагрузки (Load Transient Regulation), что обеспечивает низкие пульсации выходного напряжения и сводит к минимуму помехи в радиочастотных цепях.

В условиях малой нагрузки устройство плавно переходит в режим энергосбережения для сокращения циклов переключения и поддержания высокого КПД. Существует 16 предустановленных выходных напряжений, которые можно выбрать, подключив резистор к выводу VSEL, что делает устройство подходящим для различных применений с минимальным количеством внешних компонентов.

Теория проектирования системы

Диагностическое обслуживание (Predictive Maintenance) интеллектуальных счетчиков — главная тема, реализуемая в проекте TIDA-01546, и она становится все более актуальной для многих других приложений IoT, таких как сенсорные узлы с питанием от батареи.

Разработка TIDA-01546 предназначена для точного мониторинга состояния неперезаряжаемых литиевых батарей и выявления любых перегрузок по току в системе. Микроконтроллер TM4C1294 запрограммирован для управления монитором уровня заряда BQ35100 и токовым монитором ADS7142. Записывать данные мониторинга батареи можно с помощью карты microSD, вставленной в гнездо для карты SD (с помощью адаптера).

Часть разработки TIDA-01546, предназначенная для мониторинга работоспособности системы, отслеживает определяемые пользователем условия перегрузки по току во время работы и реализована на токовом мониторе ADS7142 и операционном усилителе LPV521. Главный контроллер (TM4C1294) обменивается данными через интерфейс I2C с монитором ADS7142, который имеет цифровой двухпороговый компаратор с выделенным выходным контактом ALERT для прерывания ведущего устройства в случае пересечения предварительно заданных верхнего или нижнего порогов.

Индикатор батареи BQ35100

Подробные сведения о работе устройства BQ35100 можно прочитать в документе «Пример практического проектирования мониторинга работоспособности батареи и системы интеллектуальных расходомеров с батарейным питанием» («Battery and System Health Monitoring of Battery-Powered Smart Flow Meters Reference Design») проекта TIDA-01546. Для испытаний с электронной нагрузкой и модулями NB-IoT производства компании TI создан специальный справочный файл (также называемый ChemID) для батареи FDK CR17500EP, что позволяет производить точное измерение SOH этой батареи.

Только одно из трех устройств питания в TIDA-010053 питает модуль NB-IoT (или электронную нагрузку, если она используется вместо NB-IoT модуля) от батареи FDK в определенный момент времени, как описано в разделе «Программное обеспечение».

Мониторинг тока в системе

Вторая составная часть разработки TIDA-01546 использует нанопотребляющий (nanopower) АЦП SAR ADS7142, который может измерять ток как в слаботочном диапазоне (0…10 мкА), так и в сильноточном (0…476 мА). Выбор диапазона сделан намеренно, так как обычно в режиме измерения ультрамалого потребления мощности средний ток составляет менее 10 мкА. Второй диапазон до 476 мА используется, когда интеллектуальный измеритель или NB-IoT-устройство передает данные по эфиру (или использует любую другую беспроводную связь с соответствующим текущим профилем, например, передачу в N-режиме wM-Bus в диапазоне 169 МГц с выходной мощностью до +25 дБм). Эти два диапазона профилей тока достаточно хорошо совпадают со значениями таблицы данных для режима энергосбережения и активного режима для обоих модулей NBIoT, описанных в разделах «Модуль NB-IoT от компании U-Blox» и «Модуль NB-IoT от компании U-Blox».

Расчет значений резисторов для двух диапазонов тока

Настроить два диапазона тока для поддержки многих других приложений IoT с питанием от батареи можно за два шага:

  • изменение (при необходимости) значений R32 и R33 в схемах подсистемы мониторинга TIDA-01546 (рисунок 5);
  • модификации программного обеспечения для регистров верхнего и нижнего порогов ИС ADS7142

Рис. 5. Двойной шунт для подсистемы мониторинга работоспособности в TIDA-01546

Рис. 5. Двойной шунт для подсистемы мониторинга работоспособности в TIDA-01546

Значения резисторов по умолчанию для R32 = 6,8 кОм и R33 = 0,1 Ом определяют диапазоны 0…10 мкА и 0…476 мА, обеспечивая достаточную точность и разрешение в каждом из этих диапазонов. Выберите резисторы в зависимости от профиля нагрузки приложения. Обратите внимание, что во многих случаях существует более двух диапазонов тока для профиля нагрузки, поэтому разработчик должен понимать особенности этого упрощенного подхода.

Разделение двух диапазонов позволяет точно измерять как очень низкие токи до 300 нА (документ «Пример практического проектирования мониторинга работоспособности системы и батареи интеллектуальных расходомеров с батарейным питанием»), так и более высокие  – до 476 мА.

Только один резистор, R32 = 6800 Ом, используется, когда система установилась после возможного изменения профиля нагрузки и работает в диапазоне 0…10 мкА, что является обычным режимом работы для многих интеллектуальных расходомеров.

Мониторинг системы с помощью ADS7142 выполняется путем постоянного сравнения тока, потребляемого приложением, с верхним и нижним порогами, а также путем подачи аварийного сигнала через вывод ALERT на главный контроллер TM4C, если один из порогов пересечен.

Когда ток поднимается выше запрограммированного верхнего порогового уровня, запускается событие ALERT высокого уровня, и на микроконтроллер TM4C поступает сигнал прерывания. Если система уже работает в слаботочном диапазоне, главное устройство включает CSD13383F4 FemtoFET™, которое обеспечивает прохождение тока через R33.

Таким образом, общее сопротивление теперь – R32 || (R33 + CSD RDS(on)), где RDS(on) предполагается равным 45 мОм при 3,3 В, на основании существующих значений в перечне технических данных (формула 1):

$$R=\frac{R_{32}\times \left(R_{33}+R_{DS(ON)} \right)}{R_{32}+R_{33}+R_{DS(ON)}}=\frac{6800 \times \left(0.1+0.045 \right)}{6800+0.1+0.045}=0.145\:Ом\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Высокий порог ALERT повторно активируется при следующем преобразовании данных, если PRE_ALT_MAX_EVENT_COUNT имеет значение 0, но ПО главного контроллера TIDA-01546 игнорирует его, если устройство уже находится в сильноточном диапазоне.

И наоборот, когда ток возвращается к низковольтному диапазону, вывод ALERT устанавливается на нижний порог, и контроллер считывает, какой порог устанавливает аварийный сигнал, и выключает устройство FemtoFET, что переводит систему в исходное состояние.

Расчет коэффициента усиления LPV521

Резисторы R25 и R28 в типовой разработке TIDA-01546 используются для установки значения коэффициента усиления устройства LPV521 (формула 2):

$$G=\frac{R_{28}+R_{25}}{R_{28}}=\frac{47\:кОм+2200\:кОм}{47\:кОм}=47.81\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Напряжение AVDD ИС ADS7142 определяет полномасштабный входной диапазон устройства, а для конструкции TIDA-01546 оно установлено на 3,3 В и является максимальным входным напряжением. При этом, зная коэффициент усиления G, рассчитаем максимальное значение VIN для входного напряжения LPV521 по формуле 3:

$$V_{IN}(Max)=\frac{V_{OUT}(Max)}{G}=\frac{V_{IN}(Max)\:к\:ADS7142}{G}=\frac{3.3\:В}{47.81}=69\:мВ\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Значение 69 мВ представляет собой максимальное напряжение сигнала, которое может быть подано на вход устройства LPV521 независимо от используемого диапазона тока.

Для этих двух диапазонов тока максимальные значения тока определяются следующим образом:

  • 69 мВ / R32 = 6800 Ом = 10,47 мкА для слаботочного диапазона;
  • 69 мВ / 0,145 Ом = 475,86 мА для сильноточного диапазона.

Минимальные значения тока с учетом 4096 отсчетов АЦП:

  • 10,47 мкА / 4096 = 2,55 нА;
  • 475,86 мА / 4096 = 116 мкА.

ИС LPV521 и ADS7142 непрерывно контролируют ток системы с минимальным собственным энергопотреблением (около 1 мкА при питании от источника 3,3 В).

Моделирование диапазонов тока с TINA-TI

На рисунке 6 показаны результаты моделирования TINA-TI с током, протекающим через сопротивление 0,1 Ом. При подаче в систему тока 493 мА входное напряжение операционного усилителя составляет 69,03 мВ (немного выше расчетного значения в 69 мВ). Результирующее выходное напряжение составляет 3,29 В, что близко к результатам в разделе «Расчет коэффициента усиления LPV521» и 3,3 В для максимального напряжения сигнала.

Рис. 6. Моделирование TINA-TI для сильноточного диапазона с использованием значения сопротивления 0,1 Ом

Рис. 6. Моделирование TINA-TI для сильноточного диапазона с использованием значения сопротивления 0,1 Ом

На рисунке 7 показано моделирование тока, протекающего через резистор 6,8 кОм. При токе 10 мкА входное напряжение устройства LPV521 составляет 67,99 мВ (немного ниже максимального значения 69 мВ).

Рис. 7. Моделирование TINA-TI для слаботочного диапазона с использованием значения резистора 6,8 кОм

Рис. 7. Моделирование TINA-TI для слаботочного диапазона с использованием значения резистора 6,8 кОм

Моделируемое выходное напряжение составляет 3,24 В, это также немного ниже максимально допустимого напряжения 3,3 В, что соответствует расчетным результатам.

Используя программу TINA-TI, включенную в данную типовую разработку, можно рассчитать необходимые номиналы резисторов.

Основные настройки регистра ADS7142 в ПО TIDA-01546

Программное обеспечение TIDA-01546 реализует логику для функций мониторинга системы и индикатора батареи в предположении, что профиль нагрузки представляет собой меандр. Этот меандр изменяется между верхним и нижним порогами двухпорогового компаратора ADS7142, задаваемыми пользователем.

В ADS7142 имеется только один набор регистров с высоким и низким порогами. Это означает, что задаваемые пользователем пороговые значения представляют разные значения тока, в зависимости от того, какой диапазон тока (или резистор) активен. Другими словами, настройки порога ADS7142 используются для обнаружения нарастающих и падающих фронтов профиля нагрузки и, соответственно, включают и отключают резистор с сопротивлением 0,1 Ом.

Используя значения 10,47 мкА и 475,86 мА из списка в разделе «Расчет коэффициента усиления LPV521», рассчитаем и запрограммируем значения порогового тока соответствующим образом. Выход преобразования устройства ADS7142 при напряжении 3,3 В равен 0xFFF (это 12-разрядный АЦП SAR). Настройки встроенного микропрограммного обеспечения для верхнего и нижнего пороговых значений по умолчанию составляют 0x998 и 0x028 и соответствуют следующим параметрам:

1.0×998/0xFFF = 2456/4096 = 0,5996 = 0,6 для слаботочного диапазона;

2.0×028/0xFFF = 40/4096 = 0,00976 = 0,01 для сильноточного диапазона.

В таблице 2 показано преобразование этих пороговых значений в значение тока.

Таблица 2. Настройки порога в микропрограммном обеспечении для двух диапазонов тока 

Профиль нагрузки Порог (значение регистра АЦП) Пороговый ток, A Используемое сопротивление шунта, Ом
Переход от низкого к высокому уровню HTRH = 0x998 0,6 × 10,47 мкА = 6,28 мкА 6800
Переход от высокого к низкому уровню LTHR = 0x028 0,01 × 476 мА = 4,76 мА 0,1 + 0,045

Ток в режиме ожидания должен быть ниже 6,28 мкА, а активный ток должен оставаться в диапазоне 4,76…476 мА; в противном случае резистор с сопротивлением 0,1 Ом включается и выключается без необходимости. Скорректируйте эти настройки, изменив значения в регистрах верхнего и нижнего порога ADS7142.

Примечание. Из-за асимметричных пороговых значений тока при переключении со слаботочного на сильноточный диапазон и обратно уделите особое внимание выбору верхнего и нижнего порогов, включая дополнительные настройки гистерезиса двухпорогового компаратора ADS7142, чтобы избежать ошибочных изменений между диапазонами.

Частота дискретизации ADS7142

Для минимально возможного энергопотребления нанопотребляющий сенсорный монитор ADS7142 запрограммирован на работу от маломощного генератора с nCLK = 18, что является минимальной рекомендуемой настройкой значения в регистре nCLK_SEL. Согласно «Техническому описанию двухканального программируемого нанопотребляющего сенсорного монитора ADS7142» («ADS7142 Nanopower, Dual-Channel, Programmable Sensor Monitor»), это дает время преобразования в диапазоне 18 × 95,2 мкс или 18 × 300 мкс, то есть примерно 1,7…5,4 мс. Таким образом, самая низкая частота дискретизации не является фиксированным значением, которое необходимо учитывать при оценке профиля нагрузки и времени микропрограммного обеспечения для данных, считываемых в приложении.

Режим данных Post Alert является одним из автономных режимов и выбирается с помощью настройки регистра OPMODE_SEL 0x110b. В нем ИС фиксирует следующие шестнадцать результатов преобразования после того как активизируется сигнал Alert. Как только эти шестнадцать преобразований сохранены во внутреннем буфере данных, все преобразования прекращаются, и главный контроллер может считывать значения.

Модуль NB-IoT производства компании U-Blox

SARA-N211 представляет собой оптимизированный по энергопотреблению модуль NB-IoT (LTE Cat NB1) производства компании U-Blox. Он сертифицирован для работы в нескольких мобильных сетях по всему миру, в том числе Deutsche Telekom.

Рабочая температура составляет -40…85°C, а диапазон напряжения питания колеблется в пределах 3,1…4,0 В (норма). В режиме глубокого сна потребление составляет 3 мкА (в среднем за 10 с), в то время как в режиме передачи потребляется 220 мА при мощности передачи + 23 дБм.

Модуль NB-IoT производства Quectel

Модуль IoT BC95-B8 NB представляет собой компактный модуль NB-IoT со сверхмалым энергопотреблением, который сертифицирован для нескольких сетей, в том числе Deutsche Telekom. Рабочая температура модуля -40…85°C, а диапазон напряжения питания должен составлять 3,1…4,2 В (обычно 3,6 В). Режим глубокого сна составляет 3,6 мкА при PSM, а потребляемый ток – 220 мА при мощности передачи + 23 дБм (при работе в полосах частот B8, B5 и B20).

Аппаратное и программное обеспечение, требования к испытаниям и результаты испытаний 

Требуемое оборудование

Типовая разработка TIDA-010053 испытана на стенде на КПД и реакцию на изменение нагрузки.

Испытание TIDA-010053

Три различных решения по питанию были испытаны отдельно друг от друга, чтобы подтвердить, что проект работает в соответствии со значениями, указанными в документации. 

Решение на TPS62840

Реакция на импульсное изменение нагрузки (transient load response) для понижающего DC/DC TPS62840 была испытана при следующих условиях:

  • VIN = 5,0 В; VOUT = 3,3 В;
  • Io_min = 0 А; Io_max = 250 мА;
  • период = 2 с; рабочий цикл = 50%;
  • SR = 0,8 А/нс.

Значение 0 A имитирует типичное условие < 5 мкА в режиме глубокого сна, тогда как 250 мА выбраны исходя из значения типичного тока 220 мА при уровне мощности TX +23 дБм для модулей IoT u-blox и Quectel NB плюс 25 мА запаса в случае максимального тока и плюс 5 мА для остальной части устройства (главный контроллер + измерения + все остальные подсистемы интеллектуального счетчика).

Результат испытания на переходную нагрузку для двухсекундного импульса (установлено значение 3,3 Вout) показан на рисунке 8, причем выходное напряжение регулируется между Vo_min = 3,2987 В и Vo_max = 3,3373 В.

Рис. 8. Реакция на нагрузку в переходном процессе TPS62840 при шаге от 0 до 250 мА

Рис. 8. Реакция на нагрузку в переходном процессе TPS62840 при шаге от 0 до 250 мА

КПД обеспечивается тем, что устройство работает в режиме ШИМ с частотой переключения Fsw = приблизительно 1,8 МГц (таблица 3).

Таблица 3. КПД решения на TPS62840

PIN Poutput КПД, %
4,950 В * 0,522 А = 2,58 Вт 3,301 В * 0,7094 А = 2,34 Вт 90,63

Решение на TPS610995

Для TPS610995 стендовые испытания на изменение нагрузки проводились с фиксированным VOUTT = 3,6 В. Для этого применялись следующие условия испытаний:

  • VIN = 1,8 – 3,2 В;
  • фиксированное значение VOUT = 3,6 В; Io_max = 500 мА.

В таблице 4 КПД приведены результаты для IOUT = 250 мА при VIN = 2,5 В, что является средним значением для элементов LiMnO2 за время срока службы.

Таблица 4. КПД решения на TPS610995

VIN = 2,5 В VOUT = 3,6 В КПД при 250 мА, %
393,7 мА 251 мА 91,81

На рисунке 9 показан график КПД относительно тока нагрузки Iout.

Рис. 9. График КПД относительно тока нагрузки

Рис. 9. График КПД относительно тока нагрузки

На рисунке 10 показан график переходного процесса нагрузки для IOUT от 50 мА до 200 мА.

Рис. 10. Реакция на переходный процесс нагрузки TPS610995

Рис. 10. Реакция на переходный процесс нагрузки TPS610995

На рисунке 11 показана пульсация для VOUT = 3,6 В и VIN = 3,2 В.

Рис. 11. TPS610995 VOUT = 3,6 В с IOUT = 200 мА

Рис. 11. TPS610995 VOUT = 3,6 В с IOUT = 200 мА

Решение на TPS63802

Схему выхода устройства понижения/повышения напряжения можно модифицировать с помощью транзистора FemtoFET CSD13385F5 производства компании TI, который может включаться и выключаться с помощью перемычки JP14. Этот подход позволяет изменять выходное напряжение с 3,8 В до 2,1 В в конечной системе при использовании вывода IO главного микроконтроллера (вместо перемычки JP14). Таким образом можно существенно сократить энергопотребление, особенно когда главный микроконтроллер и остальная часть системы работают в режиме малого потребления (при котором  модуль NB-IoT находится в режиме глубокого сна).

Регулируя значения резисторов для R1, R2 и R6, о чем можно подробнее узнать в разделе «Принципиальная схема», разработчик может изменить два уровня выходного напряжения в соответствии с требованиями конкретного применения (таблица 5). КПД подтверждается как для VOUT = 3,8 В, так и для VOUT = 2,15 В.

Таблица 5. КПД решения на TPS63802

Pinput Poutput КПД, %
3,3 В * 890 мА = 2937 мВт 3,8 В * 730 мА = 2774 мВт 94,45
3,3 В * 281,5 мА = 928,95 мВт 2,15 В * 405 мА = 870,75 мВт 93,73

Программное обеспечение

Конструкции TIDA-010053 и TIDA-01546 можно комбинировать для обеспечения как периодических измерений SOH, так и непрерывного мониторинга работоспособности системы. Обновленное программное обеспечение TIDA-01546 записано в микроконтроллер T4MC, как сказано в разделе «Перепрограммирование TIDA-01546» в подразделе «Пример практического проектирования мониторинга работоспособности системы и батареи интеллектуальных расходомеров с батарейным питанием».

Это программное обеспечение поддерживает запись данных на карту microSD, а поддержка коммуникационного порта UART добавлена к исходному коду главного микроконтроллера TM4C. Таким образом возможна отправка лога данных на COM-порт ПК с запущенной терминальной программой, например, HTerm.

Программное обеспечение для конструкции TIDA-01546 обновлено до последней библиотеки контроллера Tiva_C под названием TivaWare_C_Series-2.1.4.178, а также версии CCS 9.0.1 – последней по состоянию на июнь 2019 года.

Испытательный стенд и результат

Разряд первичного элемента измерялся на стенде для каждого варианта контроллера питания, используемого в типовой разработке TIDA-010053.

Результаты испытаний с TPS62840

Две последовательно соединенные батареи FDK (более подробно об этом сказано в документе «Технические данные FDK CR17500EP») припаяны к конструкции TIDA-010053 и подключены, как показано ниже, на рисунке 13, к BQ35100 EVM с применением программного обеспечения BQ Studio GUI, которое позволяет контролировать значение SOH этих первичных элементов.

На рисунке 12 показана блок-схема испытательного стенда.

Рис. 12. Блок-схема испытательного стенда

Рис. 12. Блок-схема испытательного стенда

Чтобы моделировать профиль разряда батареи модуля NB-IoT, а также ускорить испытание, были выбраны следующие параметры электронной нагрузки:

  • RF-передача: 250 мА в течение 384 мс (1 импульс × 60 с);
  • режим измерения: непрерывная базовая нагрузка 10,1 мкА.

На выходе VOUT TPS62840 был подключен нагрузочный резистор с током IOUT, измеренным на уровне 10,1 мкА, что представляет собой средний ток 5…6 мкА, потребляемый в режиме ожидания во многих приложениях, плюс 4 мкА для режима энергосбережения для модулей NB-IoT, о чем сказано в разделе «Модуль NB-IoT производства компании U-Blox». Датчик тока контролирует электронную импульсную нагрузку и подтверждает возникновение нагрузки 250 мА с периодичностью один раз в минуту. BQ35100 подключен к ПК, на котором запущена программа BQ Studio, применяемая для настройки устройства BQ35100 при использовании конфигурации с двумя первичными элементами и калибровки как начального смещения напряжения, так и измерения температуры с помощью терморезистора. Сам терморезистор отпаян от BQ35100 EVM и прикреплен клейкой лентой к батарее для более точного измерения с использованием двухпроводного подключения к демонстрационному модулю (EVM).

Определение срока службы батареи

Значение срока службы рассчитывается для следующего профиля приложения с учетом технических характеристик из документации от поставщика батареи:

  • RF-передача: 250 мА в течение 384 мс (4 пакета данных в день);
  • активный режим: 4 мА в течение 3,8 секунды (1 раз в день);
  • дежурный режим: непрерывная базовая нагрузка 10,1 мкА.

Примечание. Потребление в активном режиме 4 мА в течение нескольких секунд в день добавляется в дополнение к испытательному профилю на стенде, чтобы отразить общие требования для различных применений.

Поскольку температурный профиль батареи играет важную роль в расчете срока службы, его необходимо учитывать. Это можно сделать, задав процент времени, в течение которого батарея работает при определенной температуре. Для каждого отрезка температурного диапазона в 10°C необходимо применять коэффициент, определяемый производителем батареи. Для более простого сравнения результатов испытаний на стенде, которые были выполнены при 25°C, оценка предполагает, что 100% срока службы батареи прошло в диапазоне 20…30°C.

Расчет представляет собой простое сложение потребляемой мощности в каждом режиме без учета потерь на преобразование мощности (формула 4) для мощности за один календарный год (или 365 дней). Общая идеальная потребляемая мощность в течение 15 лет составляет 1934 мА⋅ч или 2127,4 мА⋅ч, если предположить, что среднее значение КПД преобразования составляет 90% во всех режимах: передачи, активном и дежурном.

$$4\:мА\times \frac{3.8}{3600}\times 365\:дней=1.541\:мА\cdot ч\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

В целом количество энергии 2127,4 мА⋅ч расходуется на 21900 циклов передачи длительностью 384 мс и током 250 мА. Таким образом, емкость 3000 мА⋅ч может поддерживать 30883 циклов передачи, если батарея работает при температуре 20…30°C в течение всего срока службы (формулы 5, 6):

$$250\:мА\times \frac{0.384}{3600}\times 365\:дней=38.933\:мА\cdot ч\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

$$10.1\:мА\times 24\:ч \times 365\:дней=88.5\:мА\cdot ч\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Разряд, измеренный BQ35100, при работе с TPS62840

Устройство BQ35100 EVM сконфигурировано для использования ChemID = 0x638 для элементов FDK CR17500EP и программируется под конфигурацию из двух последовательно соединенных элементов. Кроме того, перемычки J2 и J3 на EVQ BQ35100 установлены в положение 2-4S и 2S соответственно. Температура окружающей среды 25°C и начальный разброс были точно определены с использованием соответствующего прецизионного датчика TMP116 и цифрового мультиметра в качестве эталона (рисунок 13).

Рис. 13. Стенд с батареей и BQ35100 EVM

Рис. 13. Стенд с батареей и BQ35100 EVM

Циклы испытаний разряда (один в минуту) выполнялись в продолжение рабочего дня в течение 6 дней, они приведены в таблице 6. Значение SOH считывалось каждые 4 часа вручную при включенном BQ35100 и установленной перемычке J8 (GE). Обновленное значение считывалось с помощью инструмента BQ Studio. После этого перемычка J8 снова отсоединялась, что приводило к переводу BQ35100 в режим отключения для экономии энергии, точно так же, как микропрограммное обеспечение микроконтроллера TM4C в конструкции TIDA-01546. Перемычка J5 (ALERT) удалялась на время испытаний, чтобы избежать дополнительного потребления тока подтягивающим резистором.

Таблица 6. Значение SOH от BQ35100 для устройства с понижением напряжения TPS62840 с 2 элементами

Циклы RF-передачи Напряжение батареи, мВ SOH, %
0 6363 100
760 6090 98
1324 6042 98
1793 6019 98
2317 6006 98
2845 6002 98
3333 5985 95

Примечание. Все испытания проводились только в дневное время, после чего сдвоенные элементы (2s) были отключены от нагрузки. На следующее утро при измерении было установлено, что напряжение батареи приблизительно на 0,1 В выше, чем последнее значение напряжения днем ранее, из-за долгого времени релаксации батареи.

График зависимости разрядной нагрузки от емкости в «Технических данных FDK CR17500EP» показывает максимальное значение емкости 3130 мА⋅ч при 23°C и разрядную нагрузку 5,5 кОм. Непрерывный ток 10,1 мкА означает, что разрядная нагрузка составляет 300 кОм (для напряжения элемента 3,03 В), но для таких очень высоких разрядных нагрузок значения нет, поэтому предполагается максимальное значение емкости, полученное при 5,5 кОм. С другой стороны, сильноточный импульс 250 мА, представляющий нагрузку 12 Ом, является относительно коротким и для этого расчета может быть проигнорирован.

В результате емкость 3130 мА⋅ч может обеспечить 32221 передаваемых импульса, а два последовательных элемента могут обеспечить удвоенное значение – 64442.

С учетом линейного графика SOH со снижением на 5% для 3333 циклов, полная доступная измеренная емкость элемента в 20 раз выше, или 66660 передаваемых импульсных сигналов.

Расчетные и измеренные BQ35100 передаваемые импульсы показывают очень точную корреляцию в пределах всего нескольких процентных точек.

Важно отметить, что понижающий преобразователь TPS62840 является лидером на рынке по эффективности работы на малую нагрузку 10 мкА (ток в дежурном режиме в этом испытании), что демонстрирует график «КПД в зависимости от тока нагрузки» в документации на TPS62840. КПД лежит в диапазоне 82…88% при напряжениях от VIN = 6,5 В до VIN = 4,2 В, (которые соответствуют полностью заряженным и почти полностью разряженным двум последовательно соединенным элементам) для VOUT = 1,8 В.

В этом испытании TPS62840 работает при напряжении VOUT = 3,3 В для питания модулей NB-IoT. При меньшей разнице уровней напряжения VIN и VOUT это даст на несколько процентов более высокие показатели КПД, чем на графике, приведенном в технических данных. 

Документация по проектированию 

Чтобы загрузить схемы и ведомость материалов, трассировку слоев, файлы проекта Altium Designer®, файлы Gerber, сборочные чертежи, пройдите по ссылке на «Документацию по проектированию TIDA-010053».

Рекомендации по компоновке печатных плат

Компоновка печатной платы была сделана в соответствии с рекомендациями для каждого устройства контроллера TPS и с использованием демонстрационного модуля каждого устройства в качестве Примера практического проектирования. По сути, три демонстрационного модуля объединены в одну печатную плату и добавлена батарейная зона для двух элементов размера AA. Первичные батареи должны быть припаяны для лучшей производительности, поэтому используются элементы FDK с выводами.

Файлы программного обеспечения

Для TIDA-010053 нет программных файлов; программное обеспечение для конструкцииTIDA-01546 дополнено коммуникационным портом UART на выводах J7 5 (UART_TX) и 7 (UART_RX).

Заключение

Обладая высоким КПД при небольших нагрузках, преобразователи питания совместно с микросхемами контроля состояния разряда предоставляют уникальную возможность точно измерять состояние работоспособности первичных элементов LiMnO2 в NB-IoT-устройствах и передавать эту информацию по сотовой сети. Монитор работоспособности системы обнаруживает сильноточный импульс передачи и запускает временную задержку перед измерением степени разряда батареи. Данная задержка учитывает особенности реакции напряжения батареи при работе на импульсную нагрузку. Измерение степени разряда занимает всего 1 секунду и для экономии энергии выполняется очень редко, например, один раз в несколько дней или недель. Большую часть времени микросхема контроля батареи BQ35100 находится в отключенном состоянии, потребляя при этом лишь 50 нА (типично).

Измерение разряда батареи в режиме реального времени позволяет заменять батареи только по их фактическому разряду, что снижает общую стоимость системы. Вместо того чтобы увеличивать емкость элемента, исходя из худшего случая, или просто заменять все элементы после предварительно определенного срока службы, разработчики теперь могут получать точную информацию о работоспособности батареи и менять ее только тогда, когда это действительно необходимо. Поскольку выходная мощность NB-IoT-модуля контролируется не самим устройством, а сотовой сетью, то изменение условий приема будет приводить к разному потреблению и, соответственно, к разной скорости разряда батареи. Наиболее точное и экономичное решение состоит в том, чтобы постоянно измерять разряд батареи в полевых условиях и предпринимать действия только тогда, когда батарея достигает критического уровня разряда.

Сопутствующая документация

  1. Технические данные FDK CR17500EP;
  2. Технические данные SARA-N211;
  3. Технические данные BC95-B8;
  4. Руководство по разработке приложений NB-IoT от u-blox;
  5. Texas Instruments, Программное обеспечение Battery Management Studio (bqStudio);
  6. Texas Instruments, Демонстрационная плата BQ35100

Оригинал статьи

Перевел Виктор Букирев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

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
BQ35100PW (TI)
BQ35100PWR (TI)
LPV521MG/NOPB (TI)
LPV521MGE (TI)
ADS7142IRUGR (TI)
ADS7142IRUGT (TI)
TPS62840YBGR (TI)
TPS62840DLCR (TI)
TPS610995YFFR (TI)
TPS610995YFFT (TI)
TM4C1294NCPDTI3 (TI)
TM4C1294KCPDTI3R (TI)
CSD13383F4T (TI)
CSD13383F4 (TI)
CSD13385F5 (TI)
CSD13385F5T (TI)