№2 / 2015 / статья 6

Как достичь максимального времени работы беспроводного узла с автономным питанием

Олег Пушкарев (КОМПЭЛ)

Необходимо разработать беспроводное приложение со сроком работы более 10 лет от одного элемента питания? Современные DC/DC-преобразователи, такие как TPS62740 от Texas Instruments, позволяют создавать системы питания с буферным источником энергии, обладающие большим КПД, высокой эффективностью в режиме преобразования и сверхнизким током собственного потребления.

Батареи с долгим сроком службы, например, выполненные по технологии LiSOCl2, имеют очень высокую удельную энергию (Вт*час/кг), но часто не способны отдавать ток более, чем несколько единиц-десятков миллиампер. При попытке использовать их с рабочими токами, превышающими требования спецификации этих батарей, заметно сокращается время работы. Предлагаем решение, которое позволяет преодолеть этот недостаток. Использование высокоэффективного DC/DC-преобразователя TPS62740 и буферного суперконденсатора позволяет достичь максимального времени работы беспроводного узла. В статье использованы данные из примера разработки TI [1]. Предлагаемое решение можно с успехом использовать в беспроводных сенсорных узлах, интеллектуальных счетчиках энергии и датчиках учета тепла (Heat Cost Allocator).

Преимущества предлагаемого решения:

  • снижение пиковой нагрузки на батарею;
  • буферизация энергии;
  • увеличение времени жизни элемента питания;
  • работа устройства от батареи – более 15 лет;
  • эффективный алгоритм заряда суперконденсатора.

Современные батареи LiSOCl2 хорошо подходят для беспроводных приложений, где необходимо обеспечить продолжительность работы узла до 10 лет и более. Однако данные батареи имеют относительно низкий ток разряда, что входит в противоречие с типичным потреблением приемопередатчика в активном режиме. Например, в диапазоне ниже 1 ГГц передатчик CC1120 с выходной мощностью 25 мВт потребляет 47 мА, а максимальный ток потребления Wi-Fi-модуля СС3200 более 200 мА. Такие импульсные токи вызывают заметную просадку напряжения батареи из-за высокого внутреннего сопротивления. При отрицательных температурах такие просадки возрастают и могут вызвать срабатывание сторожевой схемы слежения за напряжением питания. На рисунке 1 приведены графики времени работы и отдаваемая емкость батареи при разных разрядных токах.

Рис. 1. Типичные кривые разряда при разных токах

Рис. 1. Типичные кривые разряда при разных токах

Для преодоления этих ограничений предлагается схема снижения пикового потребляемого от батареи тока с помощью DC/DC-преобразователя TPS62740 и буферного суперконденсатора. Рассмотрим, например, следующий типичный режим работы беспроводного узла – данные собираются в течение нескольких часов и передаются за один сеанс связи. Передача данных занимает 200 мс и потребление в этот период составляет 300 мА. Этот короткий пиковый ток превышает максимально разрешенный ток батареи, поэтому требуется буферная схема хранения энергии.

Описание схемы

Схема включает в себя микропотребляющий понижающий DC/DC-преобразователь с цифровым управлением выходным напряжением и суперконденсатор (ионистор), коммутируемый с помощью ключей (рисунок 2).

Рис. 2. Упрощенная схема источника питания

Рис. 2. Упрощенная схема источника питания

В таких приложениях как беспроводные датчики, микроконтроллер (МК) питается с выхода понижающего DC/DC-преобразователя минимально допустимым для данного МК напряжением для уменьшения потребляемого тока. Для микроконтроллеров семейства MSP430 это напряжение может быть 1,9 В. Максимальное напряжение суперконденсатора обычно 2,7 В. В этом случае диапазон изменения рабочего напряжения на суперконденсаторе во время разряда составит 2,7 – 1,9 = 0,8 В. На рисунке 3 представлен разрядный цикл.

Рис. 3. Разрядный цикл

Рис. 3. Разрядный цикл

Большую часть времени напряжение находится на уровне 1,9 В, чтобы минимизировать потери в спящем МК и прочие токи утечки (фаза 1). Непосредственно перед сеансом связи суперконденсатор заряжается до 2,7 В за 13 минут (фаза 2). При передаче пакета суперконденсатор отдает накопленную энергию, и напряжение на нем снижается от 2,7 В Vmax до 1,9 В Vmin (фаза 3).

Блок-схема источника питания приведена на рисунке 4. Батарея LiSoCl2 подключена непосредственно ко входу DC/DC-преобразователя TPS62740. Преобразователь работает под управлением МК, который регулирует выходное напряжение для обеспечения заряда с минимальными потерями энергии. Выход TPS62740 через токоограничительный резистор соединен с суперконденсатором. На рисунке 4 показано два резистора, один из них нужен только для первичного заряда до 1,9 В. Этот резистор задействован один раз после включения питания. Для ограничения рабочего тока батареи при первичном заряде конденсатора используется резистор 300 Ом. После окончания первичной зарядки (при напряжении 1,9 В) ключ замыкается и ток ограничивается меньшим номиналом второго резистора (30 Ом).

Рис. 4. Блок-схема источника питания

Рис. 4. Блок-схема источника питания

Расчет параметров и результаты измерений

Представленные ниже результаты получены на основе моделирования работы беспроводного узла wM-Bus-измерителя энергии со следующими параметрами:

  • напряжение батареи 3,6 В;
  • максимальный ток батареи 3 мА;
  • время передачи пакета 200 мс;
  • ток потребления радио 300 мА.

Предположим, что в системе используется свежая батарея LiSoCl2 напряжением 3,6 В. Для того, чтобы батарея эксплуатировалась без превышения предельных характеристик, ток потребления не должен превышать 3 мА в любых режимах работы беспроводного узла. В режиме сна ток потребления системы составляет доли или единицы мкА, поэтому буферирование энергии требуется только на время передачи длительностью 200 мс. Для того чтобы иметь определенный запас по емкости, выбран суперконденсатор емкостью 0,47 Ф. Преимущество использования одиночного элемента – в том, что нет необходимости в схеме балансировки, которая неизбежно увеличивает потери.

При необходимости подобный подход можно использовать и при других параметрах нагрузки. Для вычисления требуемой емкости буферного элемента можно воспользоваться следующей формулой:

41237

где:

С – требуемая емкость буферного конденсатора, мкФ;

I – ток потребления радио, мА;

T – время передачи, мc;

Vmax – максимальное напряжения заряда буферного элемента, В;

Vmin – нижняя граница разряда буферного элемента, В.

Например, для нашего случая:

41244

На рисунке 5 приведена конфигурация схемы при включении. В этот момент используется только резистор 300 Ом. Так как ток от батареи не должен быть более ~3,5 мА, то соответствующий ток на выходе DC/DC не может превышать ~6,3 мА. Для заряда до величины 1,9 В выбран токоограничивающий резистор 300 Ом.

Рис. 5. Конфигурация при начальном заряде

Рис. 5. Конфигурация при начальном заряде

На рисунке 6 приведены графики напряжения и тока при работе зарядного суперконденсатора. Из них видно, что ток батареи не превышает 3,7 мА, что соответствует расчетной величине.

Рис. 6. Первоначальный заряд

Рис. 6. Первоначальный заряд

Максимальный ток потребляется только в самый начальный момент времени, при этом сама процедура включения выполняется единственный раз за время жизни беспроводного узла.

На рисунке 7 приведена диаграмма измерений при подзарядке суперконденсатора перед каждой отправкой пакета. Этот процесс контролируется приложением TI USB2ANY и программой LabVIEW при проведении измерений. В реальном приложении процессом зарядки управляет микроконтроллер. С помощью выводов VSEL-Pins контролируется выходное напряжение TPS62740.

Рис. 7. Режим подзарядки

Рис. 7. Режим подзарядки

На рисунке 8 приведены графики для режима регулярной подзарядки перед отправкой пакета. В этом случае начальное напряжение на буферном элементе, как и на выходе TPS62740, равно 1,9 В. Перед тем как начать передачу, суперконденсатор подзаряжается небольшими порциями энергии, для чего напряжение на выходе TPS62740 повышается ступенчато с шагом 100 мВ. Между шагами напряжения суперконденсатор подзаряжается до следующих 100 мВ. Ток в течение каждого шага ограничен резистором 30 Ом, и этот ток максимален в начале каждого шага. По мере выравнивания напряжения на суперконденсаторе и выходе DC/DC-преобразователя ток заряда уменьшается по экспоненте. Когда напряжения сравниваются, микроконтроллер устанавливает следующую большую величину на выходе DC/DC (+100 мВ). Таким образом, падение напряжения на резисторе 30 Ом никогда не превышает 100 мВ, что позволяет минимизировать потери энергии на нем в течение всего времени подзарядки суперконденсатора от 1,9 до 2,7 В.

Рис. 8. Ток и напряжение в режиме подзарядки

Рис. 8. Ток и напряжение в режиме подзарядки

Потери, возникающие в системе, приведены на рисунке 9. Энергия на пути от батареи до суперконденсатора теряется в разных частях схемы – в преобразователе DC/DC и в зарядном резисторе.

Рис. 9. Потери энергии в режиме подзарядки

Рис. 9. Потери энергии в режиме подзарядки

Рис. 10. КПД TPS62740

Рис. 10. КПД TPS62740

Эффективность DC/DC-преобразователя можно найти в документации. На рисунке 10 приведен один из графиков описания TPS62740. Рассмотрим кривую, соответствующую напряжению 3,6 В. При токе 4,5 мА коэффициент полезного действия преобразователя составляет ~91%. При таком выходном токе TPS62740, потребляемый от батареи ток будет равен 2…3 мА, то есть, не будет превышать максимальной величины.

Потери на резисторе максимальны сразу после очередного шага увеличения выходного напряжения, когда ток через резистор максимален. Между шагами напряжение на резисторе уменьшается и, следовательно, уменьшается ток через него. Как результат, потери на резисторе минимальны к моменту выравнивания напряжения на выходе DC/DC и на суперконденсаторе. В то же время, даже при малых токах TPS62740 имеет высокую эффективность (90% при 100 мкА).

На рисунке 11 приведены общие потери в течение цикла подзарядки.

Рис. 11. Потери в течение цикла подзарядки

Рис. 11. Потери в течение цикла подзарядки

Рисунок 12 показывает потребляемую энергию от батареи, накопленную в суперконденсаторе, и эффективность схемы. Из этого рисунка видно, что общий КПД выбранного метода приближается к 90%.

Рис. 12. Энергия, потребляемая от батареи

Рис. 12. Энергия, потребляемая от батареи

На рисунке 13 приведена электрическая принципиальная схема подсистемы питания, реализующая описанный в данной статье принцип.

Рис. 13. Принципиальная схема подсистемы питания

Рис. 13. Принципиальная схема подсистемы питания

При использовании описанной схемы следует учитывать, что в процессе отправки пакета напряжение на схеме будет меняться. Это в некоторых случаях может влиять на нормальную работу системы, например, если калибровка каких-то внутренних узлов производится в начале активного цикла при максимальном напряжении питания (2,7 В). В процессе отправки пакета рабочее напряжение будет снижаться до 1,9 В, поэтому результаты калибровки в какой-то момент могут стать неактуальными. Результат будет непредсказуем для тех микросхем, где, например, нет внутреннего стабилизатора для питания узлов, работа которых калибруется для определенного напряжения питания (АЦП, Charge pump и другие) В таком случае нужно добавить в схему малошумящий внешний LDO со входом управления для минимизации потребления в режиме сна. Дополнительно, параллельно LDO, может понадобиться внешний bypass-ключ, если нежелательно полностью снимать напряжение с трансивера на время неактивного режима.

Расчет емкости буферного конденсатора для разных, произвольно выбранных, рабочих режимов, приведен в таблице 1.

Таблица 1. Расчет емкости буферного конденсатора для разных рабочих режимов

Вариант 1 (из статьи) 2 5 4 3
Наименование ER34615 ER14250M CR2477 CR2032 CR1225
Напряжение батареи номинальное, В 3,6 3,6 3 3 3
Емкость батареи, мА/ч 19000 750 850 210 50
Рекомендуемый (допустимый) ток, мА 3 4 2 1 0,4
Максимальное напряжение заряда буферного элемента, В 2,7 2,9 2,5 2,5 2,4
Рабочее напряжение системы в конце разряда буферного элемента, В 1,9 2,1 2,1 2,1 2,1
Длительность активного режима (время отправки пакета), мс 200 50 50 30 5
Потребление в активном режиме, мА 300 46 30 30 20
Емкость буферного элемента расчетная, мкФ 88043 3335 4076 2446 356
Емкость буферного элемента, выбранная из типового ряда, мкФ 470000 3300 4700 4700 470
Величина резистора ограничения зарядного тока, Ом 30 30 30 100 240
Максимальный импульсный ток потребления от батареи без учета влияния DC/DC, мА 3,33 3,33 3,33 1 0,42
Расчетное время заряда буферного элемента до 99,9%
(согласно схеме на рисунке 9), с
789,6 5,5 3,9 13,2 2,4
Количество пакетов, которое можно отправить с помощью батареи данной емкости 1 140 000 1 173 913 2 040 000 840 000 1 800 000
Количество отправляемых пакетов в час 6 10 20 60 240
Продолжительность работы беспроводного датчика без учета саморазряда батареи и потребления в режиме сна, лет 19,5 12,1 10,5 1,4 0,8

 

Заключение

Популярные батареи LiSOCl2 имеют ограничения по максимальному разрядному тока, поэтому в приложениях с большим сроком жизни требуется буферирование энергии. Накопление энергии в течение относительно долгого промежутка времени позволяет обеспечить необходимый приложению высокий импульсный ток и, в то же время, не выйти за безопасный режим эксплуатации батареи. Современные DC/DC-преобразователи, такие как TPS62740, позволяют создавать системы питания с буферным источником энергии, обладающие большим КПД. Высокая эффективность в режиме преобразования и сверхнизкий ток собственного потребления (360 нА) позволяют использовать TPS62740 в беспроводных батарейных приложениях с расчетным сроком работы 10 лет и более.

Литература

  1. Florian Feckl Energy Buffering for Long-Life Battery Applications Refe­rence De­sign http://www.ti.com/tool/pmp9753.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Наши информационные каналы

Теги: ,
Рубрики:

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