Снижение энергопотребления в приложениях IoT с батарейным питанием

Модуль R‑78S представляет собой повышающий конвертер, обеспечивающий стабильный выход в 3,3 В от одиночной 1,5‑В батарейки с КПД 93%. Выходное напряжение остается стабильным даже при падении входного напряжения до 0,65 В — таким образом, используется практически вся доступная емкость батареи. R‑78S (рис. 1) доступен в 4‑выводном корпусе. Вход CTRL предназначен для выключения конвертера, который потребляет в данном режиме 7 мкА от батареи.

Рис. 1. R REF02-78S. Эталонный дизайн

Во время работы над эталонным дизайном (Reference Design) возник вопрос: возможно ли, используя вход CTRL, снизить среднее энергопотребление без ущерба для функционирования всего приложения? В приложениях «Интернета вещей» (IoT) необходимо добиться длительного времени работы от батареи, и любая методика увеличения данного времени только приветствуется.

Для реализации такой идеи был построен прототип с модулем LoRa. Сеть LoRa обеспечивает надежную передачу данных на длинные расстояния (более 20 км на открытой местности), идеальна для работы в жестких промышленных условиях, а также для городской застройки, где обычным является расстояние передачи в 2 км через множество зданий. Модуль Aurel Wireless XTR‑8LR100 был выбран для построения прототипа по трем причинам: компания Aurel хорошо известна благодаря маломощным решениям, приемопередатчик может работать без отдельного контроллера, а модуль снабжен тремя аналоговыми входами, что обеспечивает простоту построения прототипа для передачи реальных данных.

На первом этапе были проведены измерения энергопотребления в режиме, когда модуль LoRa передает три значения аналогового входа раз в 400 с, а остальное время находится в режиме ожидания. Потребление тока от 1,5‑В батарейки составило 339 мА в пике 4,6 мс, снижаясь до среднего значения 121,6 мА на протяжении 206 мс в цикле передачи (рис. 2).

Рис. 2. Потребление тока модуля LoRa в течение цикла передачи

Рассчитать срок службы от батарейки можно с помощью формулы, указанной ниже, где C — емкость батарейки (мА·ч, учитывается суммарное 15%-ное сокращение для саморазряда и КПД повышающего конвертера в 93%); I_wake — потребление в активном режиме (мА); t_wake — длительность активного режима (мс); f_wake — частота перехода в активный режим в час; I_sleep — потребление в режиме сна (мА).

При использовании 3‑В «таблетки» CR‑2032 емкостью 240 мА·ч вместо типоразмера AA и конвертера R‑78S срок службы составит всего 71 день. В нашем прототипе средний ток в активном режиме составляет 224,5 мА в течение 211 мс и 160 мкА в пассивном режиме, в основном из-за собственного потребления конвертера R‑78S при работе без нагрузки. Типичное значение емкости алкалиновой батарейки типоразмера АА составляет 2700 мА·ч, что обеспечивает работу системы примерно в течение года.

Однако если потребление в пассивном режиме может быть снижено почти до нуля, время работы от батарейки увеличится более чем в 2 раза и превысит 800 дней. Выход повышающего преобразователя R‑78S может быть отключен с помощью вывода CTRL, но для корректной работы модуля LoRa необходимо напряжение 2,4–3,6 В для функционирования внутреннего интервального таймера. Возможным решением является добавление конденсатора на линию питания модуля LoRa и поддержание R‑78S выключенным большую часть времени, с использованием малопотребляющего таймера и его перезапуском каждый раз перед тем, как напряжение на конденсаторе достигнет 2,4 В либо начнется цикл передачи.

На рис. 3 таймер удерживает модуль R‑78S в выключенном состоянии большую часть времени, обеспечивая периодическое включение для поддержания напряжения на накопительном конденсаторе С свыше 2,4 В. Модуль LoRa имеет вывод, который переходит в низкое состояние в цикле передачи, таким образом данный сигнал используется для сброса таймера и обеспечения стабильного напряжения питания в течение цикла передачи (ток I_wake больше I_sleep в 2000 раз).

Рис. 3. Блок-диаграмма с таймером для снижения энергопотребления в режиме ожидания

В качестве таймера была выбрана микросхема TPL5110, отличающаяся экстремально низким энергопотреблением. Кроме того, выход таймера можно непосредственно подключить к входу CTRL конвертера R‑78S. Выход Tx модуля LoRa поддерживается в низком состоянии и изменяется в высокое сразу после окончания цикла передачи. Вход Done таймера должен быть подтянут к «земле» для перевода выхода DRV в высокое состояние. Таким образом, необходимо использование низкопотребляющего инвертора (74LVC1G14) для преобразования сигнала. Когда сигнал Done находится в высоком состоянии, следующий цикл начинается после 50‑мс задержки — другими словами, выход всегда находится в высоком состоянии в течение 50 мс с задержкой по времени до следующего импульса, определяемой резистором, подключенным к входу Delay. Когда сигнал Done находится в низком состоянии, цикл таймера прерывается, а выход переводится в высокое состояние. Соответственно, TPL5110 работает в режиме таймера и прерывается, когда сигнал Tx переводится в высокое состояние, а модуль R‑78S находится в рабочем состоянии на протяжении всего цикла передачи модуля LoRa (рис. 4).

Рис. 4. Первая реализация схемы с таймером

Была изготовлена печатная плата, микропотребляющий таймер запрограммирован перезаряжать накопительный 470‑мкФ конденсатор каждые 15 с (с учетом соотношения 15 с/50 мс; вкл./выкл. или 300:1 снижения тока в неактивном режиме). Модуль LoRa установлен на передачу каждые 400 с. Подключили батарейку и… «что-то пошло не так».

После детального изучения стало понятно, что мы забыли о внутреннем делителе напряжения R‑78S. Внутренний опорный источник генерирует 1,2 В, и выходное напряжение делится в соотношении 3,3 к 1,2 В или 2,75:1. Данная резистивная цепочка подключена к выходу V_out и постоянно разряжает накопительный конденсатор. Соответственно, необходимо использование последовательно включенного диода для блокировки тока. Модуль R‑78S доступен и с выходом 3,6 В, предназначенным специально для таких случаев. Схема была дополнена диодом Шоттки, подсоединенным последовательно в выходную цепь R‑78S (рис. 5).

Рис. 5. Окончательная реализация схемы таймера с диодом Шоттки и выходом 3,6 В

Финальная версия заработала, как и требовалось. Накопительный конденсатор можно было уменьшить до 330 мкФ для поддержания напряжения выше минимального 2,5 В при подзарядке каждые 15 с, что необходимо для работы модуля LoRa, осуществляющего передачу данных каждые 400 с (рис. 6, 7).

Рис. 6. Временная диаграмма, иллюстрирующая сигналы таймера, импульсы зарядки и циклы передачи

Емкость накопительного конденсатора не может быть безопасно снижена менее 330 мкФ, поскольку модуль LoRa потребляет значительный ток в режиме запуска. Увеличение емкости и длительности между циклами подзарядки не приносит какой-либо выгоды. Пиковый ток через конденсатор вырос, а среднее значение тока остается неизменным. Наилучшим выбором является 330 мкФ, причем пиковый ток подзарядки составляет 348 мА в течение 2,03 мс. Это эквивалентно среднему току в неактивном режиме в 62 мкА. При этом достигнута экономия 62 мкА/160 мкА ≈ 40%.

Рис. 7. Печатная плата. Перемычки и порт USB используются для установки режимов LoRa

Подставляя новое значение тока 62 мкА в формулу для расчета срока службы от батареи, мы получаем срок немногим более двух лет. Таким образом, срок службы увеличился более чем вдвое, не изменяя режим передачи модуля LoRa.

Дополнение

Для большего увеличения срока службы можно использовать две батарейки АА, соединенные последовательно. Вначале может показаться, что применение конвертера R‑78S является лишним, так как 3 В достаточно для питания модуля LoRa. Тем не менее кривая разряда для двух элементов AA показывает, что напряжение падает ниже минимальных 2,4 В, когда вырабатывается только 60% от емкости, таким образом около 2200 мА·ч остаются неиспользованными (рис. 8).

Рис. 8. Емкость двух батареек AA

Модуль R‑78S3.6-0.1 можно сочетать с двумя элементами АА. Максимальное входное напряжение модуля составляет 3,3 В, а двух новых батареек АА — 3,1 В. Поскольку повышающий преобразователь поддерживает стабильное выходное напряжение до падения входного 0,65 В, используется практически 100% емкости батареи. Срок службы в данном примере превышает 1000 дней.

Заключение

Литий-ионная таблеточная 3‑В батарейка имеет достаточно низкую емкость и не всегда подходит для работы в IoT-приложениях с большими пиковыми токами, как, например, LoRaWAN. При использовании 1,5‑В батарейки AA и повышении напряжения до 3,3 В достигается значительно больший срок службы.

Потребление тока в режиме сна представляется важным фактором, влияющим на срок службы при работе от батареи. При использовании накопительного конденсатора удается значительно снизить ток потребления в режиме сна, поскольку батарея отключается.