NB-IoT este o tehnologie wireless esențială pentru realizarea unor legături de comunicație fiabile, pe distanțe lungi, în cazul unei game largi de senzori inteligenți conectați. Provocările asociate amplasării acestor senzori în locații foarte diferite, împreună cu necesitatea menținerii unor legături de date fiabile pe perioade îndelungate, au condus la utilizarea unor pachete de baterii nereîncărcabile mai mari și mai costisitoare pentru alimentarea sistemelor NB-IoT.
Acest lucru a dus la creșterea costurilor atât la nivelul sistemului, cât și în ceea ce privește înlocuirea pachetelor de baterii, precum și la o soluție globală de dimensiuni mai mari, nepotrivită pentru aplicațiile actuale cu spațiu limitat. Aceste sisteme se bazează adesea pe pachete de baterii cu litiu-clorură de tionil, care nu sunt reîncărcabile. În aplicațiile IoT, astfel de pachete trebuie să funcționeze cât mai mult timp în locații îndepărtate, fără întreținere sau înlocuire, pentru a asigura o rețea IoT fiabilă și durabilă.
Provocarea consumului de vârf în aplicațiile NB-IoT
Această abordare este necesară deoarece faza de transmisie a legăturii wireless NB-IoT impune un curent de vârf ridicat, ceea ce determină utilizarea unui pachet de baterii mai mare. Impulsul de curent necesar transmisiei wireless este furnizat, de regulă, de un sistem format din pachetul de baterii și un supercondensator (supercap). Valoarea capacității acestui supercondensator este adesea supraestimată, din cauza pierderilor intrinseci cauzate de curentul de scurgere specific construcției supercondensatorului și a variațiilor de performanță la diferite temperaturi de funcționare.
Pe scurt, atât pachetul de baterii, cât și supercondensatorul ajung să fie supradimensionate, ceea ce conduce la o soluție mai mare, mai scumpă și mai puțin eficientă.
Modurile NB-IoT și impactul asupra consumului
Specificația NB-IoT operează în spectru licențiat și asigură comunicații pe distanțe lungi prin accesarea rețelei celulare 4G LTE. Totuși, există două moduri de funcționare diferite și mai multe niveluri de putere care influențează proiectarea sistemului de alimentare și specificațiile pachetului de baterii.
Varianta inițială a protocolului, NB1, oferă viteze de transfer de 26 kbit/s pentru downlink și 66 kbit/s pentru uplink, pe o bandă radio îngustă de 180 kHz. Într-o aplicație tipică, aceasta transmite datele de la senzor o dată pe zi, ceea ce permite modemului să rămână în modul de repaus 99,9% din timp.
Cea mai recentă versiune, NB2, crește aceste viteze la 127 kbit/s pentru downlink și 159 kbit/s pentru uplink și adaugă o nouă clasă de putere, cu o putere de transmisie de 14 dBm, pentru conexiuni la distanțe mai mari cu senzori inteligenți. În cele mai recente module NB-IoT, acest lucru se traduce printr-un consum de curent de 155 mA, în timp ce curentul de vârf este, în mod tipic, de 275 mA.
Arhitectură de alimentare cu două căi de putere
Figura 1: Proiect de referință optimizat pentru gestionarea alimentării în legături NB-IoT destinate senzorilor IoT. (Source: Microchip)
Un proiect de referință Microchip, optimizat pentru arhitectura de alimentare, oferă o soluție fiabilă, eficientă și accesibilă pentru sistemele NB-IoT, cum ar fi senzorii industriali, aplicațiile agricole și contoarele inteligente. Acest proiect reduce semnificativ dimensiunea supercondensatorului și, implicit, numărul de baterii necesare pentru o soluție de alimentare NB-IoT. Astfel, scad consumul de energie și dimensiunile soluției NB-IoT în ansamblu, un avantaj important pentru aplicații precum sistemele de casă inteligentă sau contoarele inteligente.
Acest proiect de referință reduce dimensiunea supercondensatorului cu un factor de 20 pentru ambele moduri de transmisie, permițând utilizarea unui pachet de baterii mai mic, cu o durată de viață mai lungă înainte de înlocuire și cu o fiabilitate mai ridicată. Această abordare este utilă și în alte aplicații pe distanțe lungi care utilizează NB-IoT, cum ar fi urmărirea activelor sau agricultura inteligentă.
Elementul-cheie al proiectului de referință îl reprezintă căile separate de putere mare și putere redusă, combinate cu un comutator de sarcină programabil. Acesta este controlat de un microcontroler pe 16 biți, care poate comuta de la modul de repaus cu consum redus de energie la modul de putere mare, necesar transmisiei.
În modurile de repaus profund (deep sleep) sau de monitorizare a rețelei, calea de putere mare este dezactivată, iar circuitul de alimentare cu consum redus de curent este activat. Acesta se bazează pe un regulator LDO (Low Dropout) și pe un comutator de putere high-side. Această arhitectură contribuie la prelungirea duratei de viață a bateriei și la creșterea eficienței generale a sistemului.
Preîncărcarea supercondensatorului și optimizarea pachetului de baterii
Pentru a furniza curentul de vârf necesar în modul de putere mare, proiectul utilizează sursa de curent liniară MIC2039, o soluție precisă și accesibilă, pentru a preîncărca supercondensatorul chiar înaintea fazei de transmisie de mare putere. Această abordare elimină necesitatea unor instrumente speciale pentru procesul de preîncărcare a supercondensatorului, contribuind la eficientizarea fabricației și la reducerea costurilor de întreținere asociate.
Utilizarea acestei surse precise de curent pentru încărcarea supercondensatorului de 470 mF permite obținerea unui timp de încărcare determinist sau, altfel spus, a unui timp de recuperare a încărcării care apropie mai rapid tensiunea supercondensatorului de tensiunea bateriei decât în cazul unui proiect rezistor-condensator (RC).
MIC2039 are o limită de curent de ieșire reglabilă, programabilă printr-un rezistor, de la 0,2 A la 2,5 A, precum și o funcție de pornire rapidă care permite impulsuri momentane de curent ridicat, până la limita secundară de curent, în timpul pornirii sau al funcționării în regim staționar. Această caracteristică este utilă pentru alimentarea sarcinilor cu curenți mari de pornire, cum sunt condensatoarele utilizate în faza de transmisie a legăturii NB-IoT, contribuind totodată la optimizarea dimensiunii supercondensatorului.
Această arhitectură inovatoare de alimentare, bazată pe o cale de putere mare, utilizează un pachet de baterii care încarcă supercondensatorul la o tensiune apropiată de tensiunea pachetului de baterii, de aproximativ 3,6 V. Supercondensatorul compensează căderile de tensiune și limitările de curent ale pachetului de baterii.
Convertorul boost și utilizarea completă a bateriei
Supercondensatorul alimentează convertorul boost sincron MIC2875, care funcționează fie în modul bypass, fie în modul boost, în funcție de tensiunea de încărcare a supercondensatorului. Convertorul boost sincron de 2 MHz reglează tensiunea de ieșire a căii de putere mare cu ajutorul unui comutator de 4,8 A și dispune de o funcție bidirecțională de deconectare a sarcinii. Aceasta previne orice curent de scurgere între intrare și ieșire atunci când dispozitivul este dezactivat.
Acest convertor DC-DC boost permite utilizarea întregii capacități disponibile a bateriei, ceea ce prelungește și mai mult durata de viață a pachetului de baterii sau permite utilizarea unui pachet mai mic. Funcția boost permite proiectului să funcționeze chiar și atunci când bateria este descărcată sub tensiunea sa nominală. Aceasta previne, de asemenea, suprasolicitarea pachetului de baterii, asigurând totodată o încărcare rapidă și precisă.
Un comutator de sarcină deconectează supercondensatorul de la pachetul de baterii pentru a reduce curentul de scurgere atunci când nu este necesară puterea mare.
Alegerea chimiei bateriei și validarea soluției
Figura 2: Diagramă bloc de nivel superior a soluției propuse de Microchip. (Source: Microchip)
Alegerea chimiei pachetului de baterii este, de asemenea, importantă. Proiectul utilizează celule primare LiSOCl₂, cu litiu-clorură de tionil, deoarece acestea oferă cel mai bun compromis între cost, dimensiune și performanța necesară, în special datorită curentului de autodescărcare extrem de redus. Aceste celule sunt disponibile pe scară largă în formatele AA și AAA, în funcție de cerințele proiectului privind durata de viață.
Tensiunea la nivelul supercondensatorului poate varia de la 2,5 V până la 3,65 V, pentru a susține cerințele de putere ale diferitelor sarcini, iar supercondensatorul poate fi deconectat de la aplicație prin dezactivarea comutatorului de sarcină. Convertorul boost funcționează automat în modul bypass atunci când tensiunea de intrare este mai mare decât tensiunea de ieșire țintă. La sarcini ușoare, convertorul boost trece în modul PFM pentru a îmbunătăți eficiența.
Convertorul DC-DC dispune, de asemenea, de un comutator anti-ringing integrat, care reduce oscilațiile parazite și contribuie la minimizarea interferențelor electromagnetice (EMI). Acest aspect este important în proiectele de contoare prevăzute cu legături wireless.
Componentele proiectului de referință validat
Proiectul de referință validat, dezvoltat de Microchip pentru alimentarea cu baterii nereîncărcabile, combină un microcontroler pe 16 biți, cu cost redus, cu o cale de putere mare pentru încărcarea supercondensatorului necesar transmisiei și cu o cale de putere redusă pentru modurile de repaus și de monitorizare a rețelei “listening”.
Tabel: Lista componentelor utilizate în proiectul de referință. (Source: Microchip)
Un comutator programabil controlează tranziția între cele două căi. Această abordare permite utilizarea unui supercondensator de 20 de ori mai mic decât în alte proiecte, precum și a unui pachet de baterii relativ mai compact.
Utilizarea celulelor primare cu litiu-clorură de tionil oferă, de asemenea, cel mai bun compromis între cost, dimensiune și performanță. Această combinație de baterie, supercondensator și gestionare a alimentării îmbunătățește fiabilitatea rețelelor de senzori inteligenți și prelungește intervalul dintre înlocuirile pachetelor de baterii, reducând astfel costurile pentru furnizorii de echipamente și operatori.
https://www.microchip.com/en-us/tools-resources/reference-designs/narrowband-iot-reference-design
Autor: Furqan Noor, Application Engineer, Microchip Technology
Glosar de termeni
• Comunicații NB-IoT și senzori conectați
NB-IoT (Narrowband IoT) – Tehnologie wireless de comunicație celulară, optimizată pentru aplicații IoT cu consum redus de energie, acoperire extinsă și transmisii de date la viteze mici. Este utilizată frecvent în aplicații precum contoare inteligente, senzori industriali, agricultură inteligentă și monitorizarea activelor.
Curent de vârf – Valoare maximă a curentului absorbit de un circuit într-un anumit moment. În sistemele NB-IoT, curentul de vârf apare în special în timpul transmisiei wireless.
Monitorizarea rețelei – Stare în care dispozitivul nu transmite activ date, dar rămâne suficient de activ pentru a detecta sau recepționa informații din rețeaua celulară. În articol, această formulare înlocuiește sensul tehnic al termenului “listening”.
• Baterii și stocarea energiei
Pachet de baterii nereîncărcabile – Ansamblu format din una sau mai multe celule primare, proiectat pentru alimentarea unui dispozitiv pe termen lung, fără reîncărcare. În aplicațiile IoT amplasate la distanță, durata de viață a pachetului de baterii este un criteriu esențial.
Celule primare LiSOCl₂ – Celule cu litiu-clorură de tionil, utilizate în aplicații cu durată mare de funcționare și curent de autodescărcare foarte redus. Sunt potrivite pentru sisteme IoT alimentate de la baterii, unde înlocuirea frecventă a bateriei nu este practică.
Supercondensator (supercap) – Componentă de stocare a energiei care poate furniza rapid impulsuri mari de curent. În proiectul prezentat, supercondensatorul ajută la acoperirea curentului de vârf necesar în timpul transmisiei NB-IoT.
Curent de scurgere – Curent rezidual nedorit care poate circula printr-un circuit sau componentă chiar și atunci când aceasta nu este activă. În aplicațiile alimentate de la baterii, reducerea curentului de scurgere este importantă pentru prelungirea duratei de viață.
• Arhitectura de alimentare
Cale de putere mare – Secțiune a arhitecturii de alimentare activată atunci când sistemul are nevoie de curent ridicat, de exemplu în faza de transmisie. În articol, această cale este asociată cu încărcarea supercondensatorului și funcționarea convertorului boost.
Cale de putere redusă – Secțiune a sistemului de alimentare utilizată în modurile cu consum mic, precum repausul profund sau monitorizarea rețelei. Aceasta contribuie la prelungirea duratei de viață a bateriei.
Repaus profund (deep sleep) – Mod de funcționare cu consum foarte redus de energie, în care majoritatea funcțiilor dispozitivului sunt dezactivate temporar. Este folosit pentru a reduce consumul atunci când dispozitivul nu transmite date.
LDO (Low Dropout Regulator) – Regulator liniar de tensiune care poate funcționa cu o diferență mică între tensiunea de intrare și cea de ieșire. Este utilizat frecvent în circuite cu consum redus.
Comutator high-side – Comutator plasat pe partea pozitivă a alimentării, între sursa de tensiune și sarcină. Este utilizat pentru controlul distribuției energiei către diferite secțiuni ale circuitului.
• Convertoare și eficiență energetică
Convertor boost sincron – Convertor DC-DC care ridică tensiunea de intrare la o valoare mai mare a tensiunii de ieșire. Varianta sincronă utilizează comutație eficientă pentru reducerea pierderilor și creșterea randamentului.
Mod bypass – Mod de funcționare în care convertorul permite trecerea tensiunii de intrare către ieșire fără creșterea acesteia. Este util atunci când tensiunea disponibilă este suficientă pentru alimentarea sarcinii.
Mod PFM (Pulse Frequency Modulation) – Tehnică de control utilizată la sarcini ușoare pentru îmbunătățirea eficienței. În acest mod, convertorul ajustează frecvența impulsurilor în funcție de necesarul de energie.
EMI (Electromagnetic Interference) – Interferențe electromagnetice care pot afecta funcționarea circuitelor electronice sau a comunicațiilor wireless. În proiectele IoT, reducerea EMI este importantă pentru fiabilitatea comunicației.