Referansedesign for batteripakker i IoT-sensorer

Utfordringene med å plassere disse sensorene på en rekke forskjellige lokasjonstyper, samtidig som de gir pålitelige datakoblinger over lengre tid, har ført til valg av større og dyre ikke-oppladbare batteripakker for å drive disse NB-IoT-systemene. Dette har ført til høyere kostnader både for systemet og for å bytte ut batteripakkene, sammen med en større total systemløsning som ikke er egnet for trendy kompakte applikasjoner med begrenset plass. Disse systemene er ofte avhengige av ikke-oppladbare litiumtionylklorid batteripakker. Disse pakkene må vare så lenge som mulig på avsidesliggende steder, uten å måtte repareres eller byttes ut for en pålitelig og bærekraftig IoT-nettverksløsning.

Maksbelastningen bestemmer

Dette skjer fordi det er behov for en større batteripakke for å oppfylle toppstrømkravet for overføringsfasen til den trådløse NB-IoT-koblingen. Den høyere strømpulsen krever en batteripakke og et superkondensatorsystem (supercap) for å ivareta toppstrømmen for den trådløse overføringen. Den valgte kapasitansverdien for denne supercap-en er også ofte overspesifisert på grunn av de iboende lekkasjestrømtapene forbundet med supercap-konstruksjonen, og ytelsesvariasjonene under varierende driftstemperaturer. Kort sagt, både batteripakken og supercap-en er overspesifisert, noe som fører til en større, dyrere og mindre effektiv løsning.

To driftsmodeller

NB-IoT-spesifikasjonen opererer i det lisensierte spekteret over lange avstander ved å benytte seg av 4G LTE mobilnettverk. Det finnes imidlertid to forskjellige driftsmodeller og mange forskjellige effektnivåer som påvirker utformingen av strømforsyningssystemet og spesifikasjonen til batteripakken. Den originale NB1-varianten av protokollen gir data på 26 kbit/s for nedlink eller 66 kbit/s for opplink på et smalt 180 kHz radiobånd og vil vanligvis laste opp data fra sensoren én gang om dagen. Dette etterlater modemet i hvilemodus 99,9 % av tiden.

Den nyeste NB2 øker dette til 127 kbit/s for nedlink og 159 kbit/s for opplink, og legger til en ny effektklasse med en sendeeffekt på 14 dBm for smarte sensortilkoblinger med lengre rekkevidde. Dette tilsvarer et strømforbruk på 155 mA i de nyeste NB-IoT-modulene, hvor toppstrømmen vanligvis er 275 mA.

Referansedesign

Et optimalisert referansedesign for strømforsyningssystemet fra Microchip skaper en pålitelig, effektiv og rimelig strømforsyningsløsning for NB-IoT-systemer som industrielle sensorer, smarte gårder og smarte målere. Dette designet reduserer størrelsen på supercap-en dramatisk, og reduserer dermed det nødvendige antallet batteripakker for enhver NB IoT- strømforsyningsløsning. Dette reduserer strømforbruket og størrelsen på den totale NB IoT-løsningen, f.eks. smarthus- eller smartmålerapplikasjoner.

Reduserer størrelsen

Dette referansedesignet reduserer størrelsen på supercap-en for begge disse overføringsmodusene med en faktor på 20, noe som gir en mindre batteripakke med lengre levetid før utskifting og høyere pålitelighet. Dette er også verdifullt for andre langdistanseapplikasjoner som bruker NB-IoT, for eksempel sporing av eiendeler eller smart landbruk.

Nøkkelen til referansedesignet er de separate høy- og laveffekt-banene, kombinert med en programmerbar lastbryter. Denne styres av en 16-bits mikrokontroller som kan svitsje fra laveffekt hvilemodus til høyeffekt- modus for overføring.

I dyp hvilemodus eller lyttemodus deaktiveres høyeffekt-banen, og en lav-IQ strømkrets, basert på en Low Dropout (LDO)-regulator og en høy- side kraftsvitsj, aktiveres. Dette bidrar til å forlenge batteripakkens levetid og systemets generelle effektivitet.

Forhåndslading

For å ivareta nødvendig toppstrøm i høyeffektmodus bruker dette designet en rimelig og nøyaktig lineær strømkilde, MIC2039, for å forhåndslade supercap-en rett før kravet om høyeffekts overføringsfase oppstår. Dette eliminerer behovet for spesialverktøy for forhåndsladeprosessen til supercap-en, noe som gir mer effektive produksjonsprosesser og sparer kostnader for tilhørende administrasjon. Bruk av denne nøyaktige strømkilden til å lade 470 mF supercap-en resulterer i en deterministisk ladetid eller ladegjenopprettingstid som konvergerer raskere til batteripakkespenningen enn et motstand-kondensator (RC) design. MIC2039 har en justerbar utgangsstrømgrense som er motstandsprogrammerbar fra 0,2 A til 2,5 A, samt en kickstart-funksjon som tillater kortvarige høystrømsstøt opp til sekundærstrømgrensen under oppstart eller under drift i stabil tilstand. Dette er nyttig for lading av laster med høye innkoblingsstrømmer, for eksempel kondensatorer for overføringsfasen til NB-IoT-koblingen, og bidrar til å optimalisere størrelsen på supercap-en.

Fordeler

Denne nye kraftløsningen med en høyeffektsbane implementerer en batteripakke som lader supercap-en til en spenning nær batteripakkens spenning (rundt 3,6 V). Supercap-en kompenserer for spenningsfall og strømkildebegrensninger i batteripakken. Supercap-en driver en synkron boost-omformer MIC2875 som opererer enten i bypass-modus eller boost-modus, avhengig av supercap-ens ladespenning. Den synkrone boost-omformeren på 2 MHz regulerer utgangsspenningen til høyeffektsbanen med en 4,8 A-svitsj, og har en toveis lastfrakoblingsfunksjon som forhindrer lekkasjestrøm mellom inngang og utgang når enheten er deaktivert. Denne DC-DC-boosten gjør 100 % av batteriets kapasitet brukbar, noe som ytterligere forlenger batteripakkens levetid eller tillater en mindre pakke. Boost-funksjonen gjør at designet fungerer selv når batteriet er utladet under nominell spenning. Dette forhindrer også overbelastning av batteripakken samtidig som det sikrer den raskeste og mest nøyaktige ladingen. En lastbryter kobler supercap-en fra batteripakken for å redusere lekkasjestrøm når høy effekt ikke er nødvendig.

Kjemi viktig

Valg av kjemisk sammensetning i batteripakken er også viktig. Designet bruker LiSOCl2 (litiumtionylklorid) primærceller, da disse tilbyr det beste kompromisset mellom kostnad, størrelse og nødvendig ytelse, spesielt med ultralav selvutladingsstrøm. Disse er lett tilgjengelige i AA- og AAA-formfaktorer, avhengig av designets levetidskrav. Spenningen over supercap-en kan variere fra 2,5 V opptil 3,65 V for å støtte strømbehovet til forskjellige oppgaver, og supercap-en kan kobles fra applikasjonen ved å deaktivere lastbryteren. Boost-omformeren opererer automatisk i bypassmodus når inngangsspenningen er større enn målutgangsspenningen. Ved lette belastninger går boost-omformeren til PFM-modus for å forbedre effektiviteten. DC-DC-omformeren har også en integrert anti-ringebryter for å minimere EMI, noe som er viktig for målerdesign med trådløse koblinger.

Rimelig kontroller

Det validerte referansedesignet for strømforsyningssystemet for ikke-oppladbare batterier utviklet av Microchip kombinerer en rimelig 16-bits mikrokontroller med en høyeffektsbane for lading av en supercap for overføring, og en laveffektsbane for hvilemodus og lyttemodus. En programmerbar svitsj styrer overgangen mellom de to banene. Dette gjør at supercap-en kan være 20 ganger mindre enn andre design, samt at den bruker en relativt mindre batteripakke. Bruk av litiumtionyl-primærceller gir også det beste kompromisset mellom kostnad, størrelse og ytelse. Denne kombinasjonen av batteri, supercap og strømstyring forbedrer påliteligheten til smarte sensornettverk og forlenger tiden det tar før batteripakkene må byttes ut, noe som reduserer kostnadene for utstyrsleverandører og operatører.