NB-IoT היא טכנולוגיה אלחוטית מרכזית לאספקת חיבורי תקשורת אמינים למרחקים ארוכים עבור כל מיני חיישנים חכמים מחוברים. האתגרים בהצבת חיישנים אלה במגוון סוגי מיקומים, תוך מתן חיבורי נתונים אמינים למשך פרקי זמן ארוכים יותר, הובילו לבחירה במארזי סוללות גדולים ויקרים יותר שאינם נטענים, לשם הפעלת מערכות NB-IoT אלה. הדבר הוביל לעלויות גבוהות יותר הן עבור המערכת והן עבור החלפת מארזי הסוללות, יחד עם פתרון שיצר מערכת כוללת גדולה יותר, הפתרון שאינו מתאים ליישומים פופולריים קומפקטיים הנועדים עבור שטח מוגבל. לעתים קרובות, מערכות אלה מסתמכות על מארזי סוללות ליתיום תיוניל כלוריד שאינן נטענות. מארזים אלה צריכים להחזיק מעמד זמן רב ככל האפשר במקומות מרוחקים, מבלי לקבל שירות או להיות מוחלפים, לאספקת פתרון רשת IoT אמין ולאורך זמן.
זה קורה כאשר יש צורך במארז סוללות גדול יותר כדי לעמוד בדרישת שיא הזרם לשלב השידור של החיבור האלחוטי של NB-IoT. פולס הזרם הגבוה יותר דורש מארז סוללות ומערכת קבלי על (קבל-על) כדי לספק את זרם השיא עבור השידור האלחוטי. לעתים קרובות, ערך הקיבול הנבחר של קבל-על זה מוגדר יתר על המידה, בגלל הפסדים פנימיים עקב זרם הדלף, הפסדים שקשורים למבנה של קבל-על ולשינויים בביצועים שלו בטמפרטורות הפעלה משתנות. בקיצור, גם מארז הסוללות וגם קבל-העל מוגדרים יתר על המידה, מה שמוביל לפתרון מוגדל יותר, יקר יותר ויעיל פחות.
המפרט של NB-IoT פועל בספקטרום המורשה על פני מרחקים ארוכים על ידי התחברות לרשת הסלולרית 4G LTE. עם זאת, ישנם שני דגמי הפעלה שונים ורמות הספק רבות ושונות המשפיעות על תכנון מערכת החשמל ומפרט מארז הסוללות. גרסת ה-NB1 המקורית של הפרוטוקול מספקת נתונים בקצב של 26 kbit/s עבור חיבור ההפצה או 66 kbit/s עבור חיבור הכינוס בפס רדיו צר של 180 kHz ובדרך כלל מעלה נתונים מהחיישן פעם ביום. הדבר משאיר את המודם במצב שינה 99.9% מהזמן.
גרסת ה-NB2 העדכנית ביותר מגבירה זאת ל-127 kbit/s עבור חיבור ההפצה ו-159 kbit/s עבור חיבור הכינוס ומוסיפה רמת כוח חדשה עם עוצמת שידור של 14 dBm עבור חיבורי חיישנים חכמים למרחקים ארוכים. התוצאה היא צריכת הזרם של 155 mA במודולים האחרונים של NB-IoT, שבהם זרם השיא הוא בדרך כלל 275 mA.
תכנון סימוכין עם מערך הספק כוח ממוטב מבית Microchip יוצר פתרון הספק כוח אמין, יעיל ובמחיר סביר עבור מערכות NB-IoT, כגון חיישנים תעשייתיים, חוות חכמות ומונים חכמים. תכנון זה מקטין באופן משמעותי את גודל קבל-העל, ובכך מפחית את מספר מארזי הסוללות הנדרש עבור כל פתרון הספק של NB IoT. הדבר מפחית את צריכת החשמל ואת גודל פתרון ה-NB IoT הכולל, למשל יישומים של בית חכם או מונים חכמים.
איור 1: תכנון סימוכין עם ניהול הספק כוח ממוטב עבור חיבורי NB-IoT עבור חיישנים מחוברים
תכנון סימוכין זה מקטין את גודל קבל-העל עבור שני מצבי שידור אלה פי 20, ומאפשר שימוש במארז סוללות קטן יותר עם אורך חיים ארוך יותר לפני מועד ההחלפה ובאמינות גבוהה יותר. הדבר גם מהווה ערך עבור יישומים אחרים למרחקים ארוכים המשתמשים ב-NB-IoT כגון מעקב אחר נכסים או חקלאות חכמה.
העיקרון של תכנון הסימוכין הוא בנתיבים הנפרדים בעלי הספק גבוה וצריכת חשמל נמוכה, יחד עם מתג עומס הניתן לתכנות. זה נשלט על ידי מיקרו-בקר בעל 16 סיביות שיכול לעבור ממצב שינה עם צריכת חשמל נמוכה למצב הספק גבוה לשם שידור.
במצבי שינה עמוקה או האזנה, נתיב ההספק הגבוה מושבת ומעגל זרם רוגע נמוך, המבוסס על וסת נפילת מתח נמוכה (LDO) ומתג הפעלה בצד חיובי, מופעל. הדבר עוזר להאריך את חיי מארז הסוללות ואת היעילות הכוללת של המערכת.
כדי לספק את זרם השיא הנדרש במצב הספק גבוה, תכנון זה משתמש במקור זרם ליניארי מדויק MIC2039 בעלות נמוכה כדי לטעון מראש את קבל-העל, בדיוק לפני שלב השידור עם דרישת הספק גבוה. הדבר מבטל את הצורך בכלים מיוחדים עבור תהליך טעינת קבל-העל מראש לקבלת תהליכי ייצור יעילים יותר וחוסך עלויות עבור תחזוקה קשורה שוטפת. שימוש במקור זרם מדויק זה לטעינת קבל-העל 470 mF מביא לזמן טעינה מוגדר וידוע או לזמן שחזור הטעינה שמשתלב מהר יותר במתח מארז הסוללות מאשר בתכנון נגד-קבל (RC). ל-MIC2039 יש מגבלת זרם פלט מתכווננת הניתנת לתכנות על ידי נגד מ-0.2A עד 2.5A, וכן תכונת הפעלה מהירה, המאפשרת נחשולי מתח חולפים של זרם גבוה עד למגבלת הזרם המשנית במהלך ההפעלה או תוך כדי פעולה במצב יציב. הדבר שימושי לעומסי טעינה עם זרמי קלט נכנסים גבוהים, כגון קבלים לשלב השידור של חיבור ה-NB-IoT ומסייע לייעל את גודל קבל-העל.
מערך הספק חדשני זה עם נתיב הספק גבוה משתמשת במארז סוללות לטעינת קבל-העל למתח קרוב למתח במארז סוללות (בסביבות 3.6V). קבל-העל מפצה על נפילות מתח ועל מגבלת מקור הזרם של מארז הסוללות. קבל-העל מפעיל ממיר הגבהת מתח סינכרוני MIC2875, הפועל במצב עקיפה או במצב הגבהה בהתאם למתח הטעון של קבל-העל. ממיר הגבהת המתח הסינכרוני של 2 MHz מווסת את מתח המוצא של נתיב ההספק הגבוה באמצעות מתג 4.8A, ויש לו פונקציית ניתוק עומס דו-כיוונית המונעת זרם דלף בין המבוא לבין המוצא כאשר המכשיר מושבת. הגבהת מתח DC – DC זו הופכת 100% מקיבולת הסוללה לשימושית, מה שמאריך עוד יותר את חיי מארז הסוללות או מאפשר שימוש במארז קטן יותר. תכונת הגבהת המתח מאפשרת לתכנון לעבוד גם כאשר הסוללה במצב טעינה שמתחת למתח הנומינלי שלה. הדבר גם מונע עומס יתר על מארז הסוללות תוך הבטחת הטעינה המהירה והמדויקת ביותר. מתג עומס מנתק את קבל-העל ממארז הסוללות כדי להפחית את זרם הדלף כאשר אין צורך בהספק גבוה.
בחירת ההרכב הכימי של מארז הסוללות חשובה גם היא. התכנון משתמש בתאים ראשוניים LiSOCl2 (ליתיום תיוניל כלוריד) מכיוון שהם מציעים את הפשרה הטובה ביותר בין עלות, גודל וביצועים נדרשים, במיוחד כשאר זרם התפרקות עצמית הוא נמוך במיוחד. אלה זמינים בקלות בתצורת AA ו-AAA בהתאם לדרישות אורך החיים של התכנון. המתח בתוך קבל-העל יכול לנוע בין 2.5V עד 3.65V למתן תמיכה בצורכי החשמל של משימות שונות וניתן לנתק את קבל-העל מהיישום על ידי השבתת מתג העומס. ממיר הגבהת המתח פועל באופן אוטומטי במצב עקיפה כאשר מתח המבוא גדול ממתח המוצא של היעד. בעומסים קלים, ממיר הגבהת המתח עובר למצב PFM כדי לשפר את היעילות. ממיר DC-DC כולל גם מתג מובנה המונע תנודתיות במעגל למזעור EMI, מה שחשוב לתכנוני מונים עם חיבורים אלחוטיים
איור 2 – תרשים בלוק ברמה גבוהה של הפתרון המוצע על ידי Microchip
תכנון הסימוכין המאושר עם מערך הספק ממוטב למארז הסוללות הלא נטענות שפותח על ידי Microchip, משלב מיקרו-בקר של 16 סיביות בעלות נמוכה עם נתיב בעל הספק גבוה לטעינת קבל-על לשידור ונתיב בעל צריכת חשמל נמוכה למצבי שינה והאזנה. מתג ניתן לתכנות מספק בקרה על מעבר בין שני הנתיבים. הדבר מאפשר שימוש בקבל-העל הקטן פי 20 מאשר בתכנונים אחרים, כמו גם להשתמש במארז סוללות קטן יחסית. השימוש בתאים ראשוניים של ליתיום תיוניל מציע גם את הפשרה הטובה ביותר בין עלות, גודל וביצועים. שילוב זה של סוללה, קבל-על וניהול הספק חשמל משפר את האמינות של רשתות חיישנים חכמים ומאריך את הזמן בין החלפות מארזי הסוללות, ובכך חוסך עלויות עבור ספקי הציוד ומפעיליו.
איור 3: מפרט החומרים של תכנון הסימוכין (BOM)
https://www.microchip.com/en-us/tools-resources/reference-designs/narrowband-iot-reference-design
