Как правильно выбрать повышающе-понижающий DC-DC-преобразователь для IoT-трекера

Новые радиоинтерфейсы NB-IoT и LoRa должны обеспечивать длительную автономную работу (в течение нескольких лет) даже при питании от батарей небольшой емкости. Очевидно, что для достижения минимального потребления необходимо ответственно подходить к выбору элементной базы. Это относится и к выбору повышающе-понижающего преобразователя, который должен обладать высоким КПД в широком диапазоне выходных токов. Повышающе-понижающий преобразователь MAX77827 имеет высокий КПД, низкий ток потребления, компактные габаритные размеры и обеспечивает плавное переключение между режимами повышения и понижения, и, таким образом, является идеальным выбором для NB-IoT- и LoRa-трекеров.
496
В избранное

Введение

Благодаря новым радиоинтерфейсам, таким как NB-IoT и LoRa (Long Range), логистические компании могут получать информацию об использовании и местонахождении своего транспорта, менеджеры могут следить за уровнями складских запасов, не заходя на склад, а фермеры могут контролировать свои поля, не выходя на улицу. Эти интерфейсы разрабатывались специально для создания беспроводных каналов связи на больших расстояниях. Они отличаются минимальным потреблением, низкой стоимостью и позволяют реализовать множество новых приложений, таких как мониторинг автопарка, отслеживание грузов, интеллектуальное сельское хозяйство (рис. 1), маркировка товаров и многое другое. Новые радиомаяки работают напрямую с сотовыми сетями и могут обходиться без промежуточного Bluetooth-соединения со шлюзом. Поскольку такие устройства должны обладать минимальным потреблением, то используемые в них регуляторы напряжения также должны обладать минимальным собственным потреблением и обеспечивать высокий КПД для достижения максимального срока службы батареи. В данной статье рассматриваются проблемы, с которыми сталкиваются IoT-устройства с батарейным питанием, и поясняется, каким образом высокоэффективный повышающе-понижающий преобразователь может значительно увеличить автономную работу устройства.

Использование NB-IoT-трекеров в интеллектуальном фермерстве

Рис. 1. Использование NB-IoT-трекеров в интеллектуальном фермерстве

Питание IoT-устройства

Габариты типового трекера сопоставимы с размерами пачки сигарет. В таком ограниченном объеме необходимо уместить мощную батарею, регулятор напряжения, датчики, радиопередающий канал и другие электронные компоненты. Недостаток свободного пространства вынуждает разработчиков использовать литий-ионные (Li +) или литий-тионилхлоридные (Li-SOCL2) элементы питания, которые обладают высокой плотностью мощности и которые могут иметь практически любую форму.

Диапазон выходных напряжений литий-ионного аккумулятора составляет от 2,5 В до 4,35 В. Таким образом, если электроника требует более узкого диапазона рабочих напряжений, например, 3,3…3,6 В, то система должна иметь в своем составе повышающе-понижающий DC/DC-преобразователь, который обеспечит полное использование всей емкости аккумулятора.

Структура типового трекера

На рис. 2 показана блок-схема типового трекера, используемого для отслеживания местоположения крупного скота. Питание трекера осуществляется от неперезаряжаемой Li-Ion-батареи емкостью 200 мАч. В свою очередь напряжение батареи преобразуется с помощью повышающе-понижающего DC/DC-преобразователя, который питает контроллер и радиоинтерфейс.

Блок-схема типового трекера, используемого для отслеживания местоположения скота

Рис. 2. Блок-схема типового трекера, используемого для отслеживания местоположения скота

В некоторых приложениях трекер должен обеспечивать автономную работу в течение двух-трех лет от одной батарейки. Если предположить, что при включении система потребляет 10 мА в течение 25 с, ток передачи составляет 500 мА в течение 250 мс и ток приема 0,1 мА в течение 5 с, тогда при двух сеансах связи в день и КПД 90% дисковая батарейка 200 мАч сможет проработать чуть менее трех лет (Таблица 1).

Таблица 1. Длительность работы дисковой батарейки 200 мАч

 

мА

Продолжительность
(секунд в день)

Потребление
(при двух сеансах в день), (мАсек/день)

Tx

500

0,25

250

Запуск

10

25

500

Rx

0,1

5

1

 

КПД

Потребление, (мАсек/день)

Емксоть дисковой батарейки, (мАч)

Длительность работы, (дней)

0,9

0,23

200

863

0,95

0,22

200

911

Вторая таблица наглядно демонстрирует важность высокого КПД. Рост КПД на 5% позволяет увеличить длительность автономной работы на 48 дней.

Переход между режимами

Для повышающе-понижающих преобразователей наиболее критичным является переход от режима понижения входного напряжения к режиму повышения входного напряжения и наоборот. На рис. 3 представлена диаграмма выходного напряжения повышающе-понижающего преобразователя при переходе от режима понижения к режиму повышения. На диаграмме хорошо видны выбросы 20 мВ и 35 мВ. Следовательно, выходное напряжение регулятора должно быть установлено на 35 мВ выше нижней границы допустимого рабочего диапазона, чтобы обеспечить гарантированное непрерывное питание нагрузки. Таким образом, регулятор не сможет использовать примерно 1% от энергии батареи (35 мВ/ 3,3 В), что эквивалентно снижению длительности автономной работы на 18 дней.

Типичный переходный процесс при переключении с режима понижения на режим повышения

Рис. 3. Типичный переходный процесс при переключении с режима понижения на режим повышения

Пример реализации повышающе-понижающего преобразователя

Высокоэффективный повышающе-понижающий интегральный преобразователь MAX77827 с собственным потреблением 6 мкА, показанный на рис. 4, работает с диапазоном входных напряжений 1,8 В до 5,5 В и обеспечивает ток нагрузки до 1,6 А с пиковой эффективностью 96%. Преобразователь реализован в компактном 12-выводном WLP-корпусе размером 1,61 x 2,01 мм (с шагом выводов 0,4 мм). Кроме того, в ближайшее время планируется выпуск моделей в 14-контактным корпусе QFN разъемом 2,5 х 2,5 мм.

Интегральный повышающе-понижающий преобразователь MAX77827 с низким собственным потреблением

Рис. 4. Интегральный повышающе-понижающий преобразователь MAX77827 с низким собственным потреблением

Высокая эффективность

На рис. 5 показана зависимость КПД от тока для повышающе-понижающего преобразователя MAX77827 в диапазоне входных напряжений от 3 В до 4,3 В и с выходным напряжением 3,3 В. Синхронное выпрямление при высокой нагрузке, использование импульсного режима при малой и сверхмалой нагрузке обеспечивают высокую эффективность в широком рабочем диапазоне входных напряжений независимо от использования повышающего или понижающего режима работы. Низкий ток потребления IQ 6 мкА и КПД до 96% при 500 мА делают этот интегральный преобразователь идеальным выбором для широкого спектра NB-IoT-трекеров.

Зависимость КПД от тока для повышающе-понижающего преобразователя MAX77827

Рис. 5. Зависимость КПД от тока для повышающе-понижающего преобразователя MAX77827

Плавный переход между режимами понижения и повышения

MAX77827 превосходит возможности традиционных повышающе-понижающих преобразователей. Он обеспечивает более стабильные переходы между режимами понижения и повышения, уменьшая выбросы напряжения почти вдвое (рис. 6). MAX77827 позволяет уменьшить «неиспользуемые» зоны выходного напряжения и, тем самым, полнее использовать емкость аккумулятора.

Плавный переход между режимами повышения и понижения напряжения

Рис. 6. Плавный переход между режимами повышения и понижения напряжения

Компактные габариты

Высокая эффективность и компактные габаритные размеры являются очень важными достоинствами, так как они помогают разработчикам создавать компактные и легкие трекеры и избегать проблем с перегревом.

Типовое решение на базе MAX77827 представлено на рис. 7. Благодаря компактному WLP-корпусу, высокой частоте переключения и небольшим внешним пассивным компонентам, площадь печатной платы для этого повышающе-понижающего преобразователя составляет всего 14,52 мм2.

Площадь преобразователя на базе MAX77827 составляет всего 14,52 мм2

Рис. 7. Площадь преобразователя на базе MAX77827 составляет всего 14,52 мм2

Заключение

NB-IoT- и LoRa-устройства должны обеспечивать автономную работу от небольшой батарейки в течение нескольких лет. Для достижения минимального потребления необходимо ответственно относиться к выбору элементной базы. Повышающе-понижающий преобразователь должен эффективно работать в широком диапазоне выходных токов от десятков микроампер до сотен миллиампер. Интегральный повышающе-понижающий преобразователь MAX77827 обеспечивает высокую эффективность и плавные переходы между рабочими режимами, а также обладает низким током потребления и компактными габаритными размерами, что делает его идеальным выбором для NB-IoT- и LoRa-трекеров.

Источник: https://www.maximintegrated.com

 
Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX77827BEWC+
MAX77827BEWC+
Maxim Integrated
Арт.: 3419843 ИНФО PDF DT
Поиск
предложений
DC/DC CONV, BUCK-BOOST, 125DEG C
MAX77827BEWC+
-
Поиск
предложений
MAX77827EVKIT#
MAX77827EVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 3626456 ИНФО PDF
Поиск
предложений
The MAX77827 evaluation kit provides a proven design to evaluate the MAX77827, a 1.6A buck-boost converter.
MAX77827EVKIT#
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()