Uudenlainen primääriakun, superkondensaattorin ja tehonhallinnan yhdistelmä parantaa älykkäiden IoT-anturiverkkojen luotettavuutta sekä pidentää akkujen vaihtoväliä. Tämä puolestaan vähentää laitetoimittajien ja operaattorien kustannuksia. Microchipin ratkaisu tarjoaa parhaan kompromissin kustannusten, koon ja suorituskyvyn välillä.

Kapeakaistainen NB-IoT on keskeinen langaton tekniikka pitkän matkan luotettavien viestintäyhteyksien tarjoamiseksi älykkäisiin kytkettyihin antureihin. Näiden anturien eri kohteisiin sijoittamisen haasteet ovat johtaneet kookkaiden ja kalliiden ei-ladattavien eli primääriakkujen valintaan NB-IoT-järjestelmien teholähteeksi, jotta antureille voitaisiin varmistaa luotettavat datayhteydet pidemmäksikin ajaksi.

Tämä on johtanut korkeampiin kustannuksiin sekä itse järjestelmän että paristojen vaihdon osalta. Lisäksi tämä kasvattaa kokonaisjärjestelmän fyysistä kokoa, mitä taas ei haluta nykyajan pienikokoisiin sovelluksiin. Järjestelmissä käytetään usein litium-tionyylikloridiin (Li-SOCl₂) perustuvia primääriakkuja. Akkupakettien tulisi kestää etäisissä kohteissa mahdollisimman pitkään ilman vaihto- tai huoltotoimia, jotta IoT-verkkoratkaisu toimisi luotettavasti ja riittävän pitkään.

Näin on pitänyt toimia, koska anturi tarvitsee isokokoisen akkupaketin, jotta langattoman NB-IoT-linkin lähetysvaiheen vaatima huippuvirta voidaan varmistaa. Suuri virtapulssi vaatii akun ja superkondensaattorin (supercap) muodostaman yhdistelmän, joka kykenee tarjoamaan riittävän suuren huippuvirran langattomalle lähetykselle.

Superkondensaattorille valittu kapasitanssiarvo on usein ylimääritetty, mikä on seurausta supercap-rakenteen sisäisistä vuotovirtahäviöistä ja suorituskyvyn vaihteluista muuttuvissa käyttölämpötiloissa. Toisin sanoen sekä akku että superkondensaattori ovat arvoiltaan ylimääritettyjä, mikä johtaa suurikokoiseen, kalliiseen ja vähemmän energiatehokkaaseen ratkaisuun.

NB-IoT-spesifikaatio toimii pitkillä etäisyyksillä lisensoiduilla taajuuksilla hyödyntäen 4G LTE -matkapuhelinverkkoa. Käytettävissä on kuitenkin kaksi erilaista toimintamallia ja useita eri tehotasoja, jotka vaikuttavat tehonsyöttöjärjestelmän suunnitteluun ja akun spesifikaatioihin.

Protokollan alkuperäinen NB1-muunnos tarjoaa datansiirtonopeutta 26 kb/s alaspäin ja 66 kb/s ylöspäin kapealla 180 kHz radiokaistalla, ja tyypillisesti anturista ladataan dataa kerran päivässä. Tämän vuoksi modeemi on lepotilassa 99,9 % ajasta.

Uusin NB2-spesifikaatio puolestaan nostaa nopeudeksi 127 kb/s alaspäin ja 159 kb/s ylöspäin sekä lisää lähetysteholle uuden teholuokan 14 dBm pitemmän kantaman älykkäitä anturiyhteyksiä varten. Tämä tarkoittaa 155 mA virrankulutusta uusimmissa IoT-moduuleissa, joissa huippuvirta on tyypillisesti 275 mA.

Microchip on kehittänyt optimoituun tehonhallintaan referenssimallin, joka tarjoaa luotettavan, energiatehokkaan ja edullisen tehoratkaisun erilaisille NB-IoT-järjestelmille kuten teollisuusantureille, älymittareille ja maatalouden älykkäille anturisovelluksille. Referenssimalli pienentää dramaattisesti superkondensaattorin kokoa, mikä vähentää mihin tahansa NB-IoT-tehoratkaisuun tarvittavien akkujen määrää. Näin voidaan vähentää laitteiden tehonkulutusta ja myös fyysistä kokoa esimerkiksi älykkäiden mittarien ja älykotien sovelluksissa.

Kuva 1. Optimoitu tehonhallinnan referenssimalli järjestelmään kytkettyjen anturien NB-IoT-linkeille.

Tämä referenssimalli pienentää superkondensaattorin kokoa kummassakin lähetystilassa kertoimella 1/20, mikä mahdollistaa entistä pienemmän akun, pitemmän käyttöiän ennen vaihtoa ja paremman luotettavuuden. Tämä on arvokasta kaikille pitkän matkan sovelluksille, jotka hyödyntävät NB-IoT-yhteyttä vaikkapa omaisuuden seurantaan tai maatilan älykkäisiin antureihin.

Referenssimallin avaintekijöitä ovat erilliset suuri- ja pienitehoiset polut yhdistettyinä ohjelmoitavaan kuormakytkimeen. Tätä ohjaa 16-bittinen mikro-ohjain, joka voi kytkeä toimintamuodon niukkatehoisesta lepotilasta suuritehoiseen tilaan lähetystä varten. 

Syvässä lepotilassa tai kuuntelutilassa suuritehoisen polun käyttö estetään ja alhaisen lepovirran (IQ) omaava tehopiiri aktivoituu. Tämä perustuu LDO-regulaattoriin (Low Dropout) ja suuritehoisen puolen tehokytkimeen. Niiden toiminnan avulla voidaan pidentää akun käyttöikää ja parantaa järjestelmän yleistä energiatehokkuutta.

Suuritehoisen tilan aikana tarvittavan huippuvirran aikaansaamiseksi referenssimalli käyttää hinnaltaan edullista mutta tarkkaa lineaarista virtalähdettä MIC2039 superkondensaattorin esilataamiseen juuri ennen suureen tehoon siirtymistä. Näin voidaan välttää esilatausprosessin vaatimien erityisten välineiden tarve järjestelmän tuotantovaiheessa ja samalla säästää kustannuksia ylläpidossa. Tämän tarkan virtalähteen käyttäminen 470 millifaradin (mF) superkondensaattorin lataamiseen johtaa deterministiseen lataus- ja palautumisaikaan, jolloin lähestytään paristojännitettä nopeammin kuin tavallista RC-piiriä käyttämällä.

MIC2039-piirin lähdössä on säädettävä virranrajoitus, joka on ohjelmoitavissa välille 0,2 – 2,5 A. Lisäksi mukana on kickstart-toiminto, joka mahdollistaa hetkelliset korkeat virtapiikit toisiopuolen virtarajaan asti käynnistyksen aikana tai vakaassa toimintatilassa.

Tämä on hyödyllistä ladattaessa kuormia, jotka vievät suuren syöttövirran. Näitä ovat esimerkiksi kondensaattorit NB-IoT-linkin siirtojakson aikana. Toiminnon avulla voidaan optimoida superkondensaattorin koko.

Tehonsyötön uudessa mallissa suuritehoinen polku hyödyntää primääriakkua, joka lataa superkondensaattorin lähelle akkupaketin jännitettä (noin 3,6 V). Superkondensaattori kompensoi akkupaketin jännitehäviöitä ja virransyötön rajoituksia. Supercap syöttää tehoa synkroniselle boost-muuntimelle MIC2875, joka toimii joko ohitustilassa tai boost-tilassa riippuen superkondensaattoriin ladatusta jännitteestä.

Kahden megahertsin taajuudella toimiva synkroninen boost-muunnin reguloi suuritehoisen polun lähtöjännitettä 4,8 ampeerin kytkimellä. Siinä on myös kaksisuuntainen kuorman katkaisutoiminto, joka estää vuotovirran tulon ja lähdön välillä, kun muuntimen käyttö on estetty.

Tämä DC-DC-tyyppinen boost-muunnin antaa akkukapasiteetin sataprosenttisesti käyttöön, mikä pidentää entisestään akun käyttöikää tai antaa mahdollisuuden käyttää pienempää akkua. Boost-ominaisuuden ansiosta referenssimalli toimii silloinkin, kun akku tyhjenee alle nimellisjännitteen. Tämä estää myös akun ylikuormituksen ja varmistaa mahdollisimman nopean ja tarkan latauksen. Kuormakytkin irrottaa superkondensaattorin akusta vuotovirran vähentämiseksi, kun suurta tehoa ei tarvita.

Akkukemian valintakin on tärkeä tekijä. Referenssimallissa käytetään Li-SOCl₂-rakenteisia (litium-tionyylikloridi) primäärikennoja, koska ne tarjoavat parhaan kompromissin kustannusten, koon ja halutun suorituskyvyn kesken, erityisesti erittäin alhaisen itsepurkautumisvirran ansiosta. Näitä akkuja on helposti saatavissa sekä AA- että AAA-kokoisina sovelluskohteen käyttöikävaatimuksista riippuen.

Superkondensaattorin jännite voi vaihdella välillä 2,5 – 3,65 V eri tehtävien vaatiman tehon mukaisesti. Supercap-komponentti voidaan kytkeä pois sovelluksesta estämällä kuormakytkimen toiminta. Boost-muunnin toimii ohitustilassa automaattisesti, kun tulojännite on suurempi kuin tavoiteltu lähtöjännite.

Kevyillä kuormilla boost-muunnin siirtyy PFM-tilaan (pulse frequency modulation) hyötysuhteen parantamiseksi. DC-DC-muuntimessa on myös integroitu soimisen (ringing) estokytkin, joka minimoi EMI-häiriöt. Tämä on tärkeää langattomilla linkeillä varustetuissa mittaussovelluksissa.

Kuva 2. Ylemmän tason lohkokaavio Microchipin ratkaisuehdotuksesta.

Microchipin validoimassa referenssiratkaisussa yhdistyvät edullinen 16-bittinen mikro-ohjain ja korkeatehoinen polku superkondensaattorin lataamiseksi lähetystä varten sekä alhainen tehopolku lepotilaa ja kuuntelua varten. Ohjelmoitava kytkin ohjaa siirtymistä näiden kahden tehopolun välillä. Tämän ansiosta superkondensaattori voi olla kooltaan noin 1/20 verrattuna muihin vastaaviin sovellusmalleihin. Näin Microchipin referenssimalli tulee toimeen myös merkittävästi muita pienikokoisemmalla akkupaketilla.

Li-SOCl₂-kennon käyttäminen primääriakkuna tarjoaa myös parhaan kompromissin kustannusten, koon ja suorituskyvyn välillä. Tämä akun, superkondensaattorin ja tehonhallinnan yhdistelmä parantaa älykkäiden anturiverkkojen luotettavuutta sekä pidentää akkupakettien vaihtoväliä, mikä taas vähentää laitetoimittajien ja operaattorien kustannuksia.

Kuva 3. Luettelo Microchipin referenssimalliin käytetyistä piireistä.

Lisätietoja täällä.