Як досягти максимального часу роботи бездротового вузла з автономним живленням

1. опис схеми
2. Розрахунок параметрів і результати вимірювань
3. висновок
4. література
5. Про компанію Texas Instruments

Необхідно розробити бездротове додаток з терміном роботи більше 10 років від одного елемента живлення? Сучасні DC / DC-перетворювачі, такі як TPS62740 від Texas Instruments, дозволяють створювати системи харчування з буферним джерелом енергії, що володіють великим ККД, високою ефективністю в режимі перетворення і наднизьким струмом власного споживання.

Батареї з довгим терміном служби, наприклад, виконані за технологією LiSOCl2, мають дуже високу питому енергію (Вт * год / кг), але часто не здатні віддавати струм більше, ніж кілька одиниць-десятків міліампер. При спробі використовувати їх з робочими струмами, що перевищують вимоги специфікації цих батарей, помітно скорочується час роботи. Пропонуємо рішення, яке дозволяє подолати цей недолік. Використання високоефективного DC / DC-перетворювача TPS62740 і буферного суперконденсатора дозволяє досягти максимального часу роботи бездротового вузла. У статті використані дані з прикладу розробки TI [1]. Пропоноване рішення можна з успіхом використовувати в бездротових сенсорних вузлах, інтелектуальних лічильниках енергії і датчиках обліку тепла (Heat Cost Allocator).

Переваги пропонованого рішення:

• зниження пікового навантаження на батарею;
• буферизация енергії;
• збільшення часу життя елемента живлення;
• робота пристрою від батареї - більше 15 років;
• ефективний алгоритм заряду суперконденсатора.

Сучасні батареї LiSOCl2 добре підходять для бездротових додатків, де необхідно забезпечити тривалість роботи вузла до 10 років і більше. Однак дані батареї мають відносно низький струм розряду, що входить в протиріччя з типовим споживанням приймача в активному режимі. Наприклад, в діапазоні нижче 1 ГГц передавач CC1120 з вихідною потужністю 25 мВт споживає 47 мА, а максимальний струм споживання Wi-Fi-модуля СС3200 більше 200 мА. Такі імпульсні струми викликають помітну просідання напруги батареї через високий внутрішнього опору. При негативних температурах такі просадки зростають і можуть викликати спрацьовування сторожовий схеми стеження за напругою живлення. На малюнку 1 наведені графіки часу роботи і віддається ємність батареї при різних розрядних токах.

Мал. 1. Типові криві розряду при різних токах

Для подолання цих обмежень пропонується схема зниження пікового споживаного від батареї струму за допомогою DC / DC-перетворювача TPS62740 і буферного суперконденсатора. Розглянемо, наприклад, наступний типовий режим роботи бездротового вузла - дані збираються протягом кількох годин і передаються за один сеанс зв'язку. Передача даних займає 200 мс і споживання в цей період становить 300 мА. Цей короткий піковий струм перевищує максимально дозволений струм батареї, тому потрібно буферна схема зберігання енергії.

опис схеми

Схема включає в себе мікропотребляющій понижуючий DC / DC-перетворювач з цифровим управлінням вихідним напругою і суперконденсатор (іоністор), комутований за допомогою ключів (малюнок 2).

Мал. 2. Спрощена схема джерела живлення

У таких додатках як бездротові датчики, мікроконтролер (МК) харчується з виходу понижуючого DC / DC-перетворювача мінімально допустимим для даного МК напругою для зменшення споживаного струму. Для мікроконтролерів сімейства MSP430 це напруга може бути 1,9 В. Максимальна напруга суперконденсатора зазвичай 2,7 В. У цьому випадку діапазон зміни робочої напруги на суперконденсаторів під час розряду складе 2,7 - 1,9 = 0,8 В. На малюнку 3 представлений розрядний цикл .

Мал. 3. Разрядний цикл

Велику частину часу напруга знаходиться на рівні 1,9 В, щоб мінімізувати втрати в сплячому МК та інші струми витоку (фаза 1). Безпосередньо перед сеансом зв'язку суперконденсатор заряджається до 2,7 В за 13 хвилин (фаза 2). При передачі пакета суперконденсатор віддає накопичену енергію, і напруга на ньому знижується від 2,7 В Vmax до 1,9 В Vmin (фаза 3).

Блок-схема джерела живлення наведена на малюнку 4. Батарея LiSoCl2 підключена безпосередньо до входу DC / DC-перетворювача TPS62740 . Перетворювач працює під управлінням МК, який регулює вихідну напругу для забезпечення заряду з мінімальними втратами енергії. вихід TPS62740 через струмообмежувальні резистор з'єднаний з суперконденсатором. На малюнку 4 показано два резистора, один з них потрібен тільки для первинного заряду до 1,9 В. Цей резистор задіяний один раз після включення живлення. Для обмеження робочого струму батареї при первинному заряді конденсатора використовується резистор 300 Ом. Після закінчення первинної зарядки (при напрузі 1,9 В) ключ замикається і струм обмежується меншим номіналом другого резистора (30 Ом).

Мал. 4. Блок-схема джерела живлення

Розрахунок параметрів і результати вимірювань

Представлені нижче результати отримані на основі моделювання роботи бездротового вузла wM-Bus-вимірювача енергії з наступними параметрами:

• напруга батареї 3,6 В;
• максимальний струм батареї 3 мА;
• час передачі пакета 200 мс;
• струм споживання радіо 300 мА.

Припустимо, що в системі використовується свіжа батарея LiSoCl2 напругою 3,6 В. Для того, щоб батарея експлуатувалася без перевищення граничних характеристик, струм споживання не повинен перевищувати 3 мА в будь-яких режимах роботи бездротового вузла. У режимі сну струм споживання системи становить частки або одиниці мкА, тому буферізування енергії потрібно тільки на час передачі тривалістю 200 мс. Для того щоб мати певний запас по місткості, обраний суперконденсатор ємністю 0,47 Ф. Перевага використання одиночного елемента - в тому, що немає необхідності в схемі балансування, яка неминуче збільшує втрати.

При необхідності подібний підхід можна використовувати і при інших параметрах навантаження. Для обчислення необхідної ємності буферного елемента можна скористатися наступною формулою:

де:

С - необхідна ємність буферного конденсатора, мкФ;

I - струм споживання радіо, мА;

T - час передачі, мс;

Vmax - максимальне напруження заряду буферного елемента, В;

Vmin - нижня межа розряду буферного елемента, В.

Наприклад, для нашого випадку:

На рисунку 5 наведена конфігурація схеми при включенні. У цей момент використовується тільки резистор 300 Ом. Так як струм від батареї не повинен бути більше ~ 3,5 мА, то відповідний струм на виході DC / DC не може перевищувати ~ 6,3 мА. Для заряду до величини 1,9 В обраний струмообмежуючі резистор 300 Ом.

Мал. 5. Конфігурація при початковому заряді

На малюнку 6 наведено графіки напруги і струму при роботі зарядного суперконденсатора. З них видно, що струм батареї не перевищує 3,7 мА, що відповідає розрахунковій величині.

Мал. 6. Початковий заряд

Максимальний струм споживається тільки в початковий момент часу, при цьому сама процедура включення виконується єдиний раз за час життя бездротового вузла.

На малюнку 7 приведена діаграма вимірювань при підзарядці суперконденсатора перед кожною відправкою пакету. Цей процес контролюється додатком TI USB2ANY і програмою LabVIEW при проведенні вимірювань. У реальному додатку процесом зарядки управляє мікроконтролер. За допомогою висновків VSEL-Pins контролюється вихідна напруга TPS62740 .

Мал. 7. Режим підзарядки

На малюнку 8 наведено графіки для режиму регулярного заряджання перед відправкою пакету. У цьому випадку початкова напруга на буферному елементі, як і на виході TPS62740 , Так само 1,9 В. Перед тим як почати передачу, суперконденсатор заряджається невеликими порціями енергії, для чого напруга на виході TPS62740 підвищується поступово з кроком 100 мВ. Між кроками напруги суперконденсатор заряджається до наступних 100 мВ. Струм протягом кожного кроку обмежений резистором 30 Ом, і цей струм максимальний на початку кожного кроку. У міру вирівнювання напруги на суперконденсаторів і виході DC / DC-перетворювача струм заряду зменшується по експоненті. Коли напруги порівнюються, мікроконтролер встановлює наступну велику величину на виході DC / DC (+100 мВ). Таким чином, падіння напруги на резисторі 30 Ом ніколи не перевищує 100 мВ, що дозволяє мінімізувати втрати енергії на ньому протягом всього часу підзарядки суперконденсатора від 1,9 до 2,7 В.

Мал. 8. Струм і напруга в режимі підзарядки

Втрати, що виникають в системі, наведені на малюнку 9. Енергія на шляху від батареї до суперконденсатора втрачається в різних частинах схеми - в перетворювачі DC / DC і в зарядному резистори.

Мал. 9. Втрати енергії в режимі підзарядки

Мал. 10. ККД TPS62740

Ефективність DC / DC-перетворювача можна знайти в документації. На малюнку 10 наведено один з графіків опису TPS62740 . Розглянемо криву, відповідну напрузі 3,6 В. При струмі 4,5 мА коефіцієнт корисної дії перетворювача складає ~ 91%. При такому вихідному струмі TPS62740 , Споживаний від батареї струм буде дорівнює 2 ... 3 мА, тобто, не буде перевищувати максимальної величини.

Втрати на резисторі максимальні відразу після чергового кроку збільшення вихідної напруги, коли струм через резистор максимальний. Між кроками напруга на резисторі зменшується і, отже, зменшується струм через нього. Як результат, втрати на резисторі мінімальні до моменту вирівнювання напруги на виході DC / DC і на суперконденсаторів. У той же час, навіть при малих токах TPS62740 має високу ефективність (90% при 100 мкА).

На малюнку 11 наведено загальні втрати протягом циклу підзарядки.

Мал. 11. Втрати протягом циклу підзарядки

Малюнок 12 показує споживану енергію від батареї, накопичену в суперконденсаторів, і ефективність схеми. З цього малюнка видно, що загальний ККД обраного методу наближається до 90%.

Мал. 12. Енергія, споживана від батареї

На малюнку 13 наведена електрична принципова схема підсистеми живлення, що реалізує описаний в даній статті принцип.

Мал. 13. Принципова схема підсистеми харчування

При використанні описаної схеми слід враховувати, що в процесі відправки пакета напруга на схемі буде змінюватися. Це в деяких випадках може впливати на нормальну роботу системи, наприклад, якщо калібрування якихось внутрішніх вузлів проводиться на початку активного циклу при максимальній напрузі живлення (2,7 В). У процесі відправки пакета робоча напруга буде знижуватися до 1,9 В, тому результати калібрування в якийсь момент можуть стати неактуальними. Результат буде непередбачуваний для тих мікросхем, де, наприклад, немає внутрішнього стабілізатора для живлення вузлів, робота яких калибруется для певної напруги харчування (АЦП, Charge pump та інші) В такому випадку потрібно додати в схему малошумящий зовнішній LDO зі входом управління для мінімізації споживання в режимі сну. Додатково, паралельно LDO, може знадобитися зовнішній bypass-ключ, якщо небажано повністю знімати напругу з трансивера на час неактивного режиму.

Розрахунок ємності буферного конденсатора для різних, довільно обраних, робочих режимів, наведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Розрахунок ємності буферного конденсатора для різних робочих режимів

Варіант 1 (зі статті) 2 5 4 3 Назва ER34615 ER14250M CR2477 CR2032 CR1225 Напруга батареї номінальне, В 3,6 3,6 3 3 3 Ємність батареї, мА / год 19000 750 850 210 50 Рекомендований (допустимий) струм, мА 3 4 2 1 0,4 Максимальна напруга заряду буферного елемента, в 2,7 2,9 2,5 2,5 2,4 Робоча напруга системи в кінці розряду буферного елемента, в 1,9 2,1 2,1 2,1 2 , 1 Тривалість активного режиму (час відправлення пакета), мс 200 50 50 30 5 Споживання в активному режимі, мА 300 46 30 30 20 Ємність буферного елемента розрахункова, мкФ 88043 3335 4076 2446 356 Ємність буферного елемента, обрана з типового ряду, мкФ 470000 33 00 4700 4700 470 Величина резистора обмеження зарядного струму, Ом 30 30 30 100 240 Максимальний імпульсний струм споживання від батареї без урахування впливу DC / DC, мА 3,33 3,33 3,33 1 0,42 Розрахунковий час заряду буферного елемента до 99 , 9%
(Згідно зі схемою на малюнку 9), з 789,6 5,5 3,9 13,2 2,4 Кількість пакетів, які можна надіслати за допомогою батареї даної ємності 1 140 000 1 173 913 2 040 000 840 000 1 800 000 Кількість відправляються пакетів в година 6 10 20 60 240 Тривалість роботи бездротового датчика без урахування саморазряда батареї і споживання в режимі сну, років 19,5 12,1 10,5 1,4 0,8

висновок

Популярні батареї LiSOCl2 мають обмеження по максимальному разрядному струму, тому в додатках з великим терміном життя потрібно буферізування енергії. Накопичення енергії протягом відносно тривалого проміжку часу дозволяє забезпечити необхідний додатком високий імпульсний струм і, в той же час, не вийти за безпечний режим експлуатації батареї. Сучасні DC / DC-перетворювачі, такі як TPS62740 , Дозволяють створювати системи харчування з буферним джерелом енергії, що володіють великим ККД. Висока ефективність в режимі перетворення і наднизький ток власного споживання (360 нА) дозволяють використовувати TPS62740 в бездротових батарейних додатках з розрахунковим терміном роботи 10 років і більше.

література

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

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі