СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО РЕЖИМА РАБОТЫ УСТРОЙСТВА С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ
METHOD FOR POWER-SAVING OPERATION MODE OF SELF-POWERED DEVICE

Изобретение относится к электронным схемам общего назначения и может быть использовано в автономных устройствах для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS.
Автономные устройства для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS находят все большее применение. Как правило, в качестве источника питания в этих устройствах используются источники питания с емкостью до 30 Вт·ч и более. При этом должна быть обеспечена их длительная беспрерывная работа устройств (не менее 365 суток) с режимом передачи данных от одного раза в сутки до одного раза в год. Основным недостатком таких устройств являются высокие массогабаритные показатели и стоимость батарейных модулей. Использование источников питания с емкостями менее 30 Вт·ч в системах данного типа практически невозможно из-за нахождения GSM/GPRS модуля постоянно под напряжением и разряда источника питания током покоя модуля. При разрыве цепи питания модуля ключевым элементом, например ключевым MOSFET (от анг.metal-oxide-semiconductor field effect transistor - МОП-транзистор), как представлено на фиг. 1, возникает проблема глубокого разряда фильтрующих емкостей модульных элементов. После подачи напряжения питания на такой модуль ток в цепи будет описываться выражением:
i=C dUc/dt.
Видно, что в первый момент времени, когда dt→0, ток через емкость СМ ограничивается только внутренним сопротивлением емкости и сопротивлением канала ключевого транзистора MOSFET. Если учесть, что сопротивление таких емкостей и каналов не больше сотых долей Ом, а суммарная (эквивалентная) емкость фильтрующих цепей GSM/GPRS модуля может достигать 1000 мкФ, то в цепи создается эффект «короткого замыкания» или, точнее, эффект работы на низкоомную нагрузку. В результате этого источник питания работает в критическом режиме, вследствие чего многократно уменьшается срок его службы.
Вместе с этим, в первоначальный момент времени (момент открытия транзистора) микроконтроллер устройства остается без питания (U→0), т.к. цепь «закорочена» низкоомной нагрузкой), что приводит к нарушению его работы.
Технический результат заключается в обеспечении длительной беспрерывной работы устройства для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS и автономным питанием от источника постоянного тока малой емкости с минимальными массогабаритными показателями.
Технический результат достигается ограничением тока зарядки фильтрующих емкостей GSM/GPRS-модуля посредством модуляции сопротивления канала ключевого МОП-транзистора (MOSFET) за счет плавного возрастания напряжения на его затворе с использованием широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, подаваемого на затвор через фильтрующую RC-цепочку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена эквивалентная схема устройства для чтения, записи и дистанционной передачи данных с приборов учета, где RC - эквивалентное сопротивление контроллера, RM - эквивалентное сопротивление GSM/GPRS модуля, СМ - суммарная (эквивалентная) емкость фильтрующих цепей GSM/GPRS модуля, Т1 - ключевой МОП-транзистор (MOSFET), VAKK - напряжение питания, РОТ - потенциал управления ключом, i - ток через фильтрующие цепи GSM/GPRS модуля после подачи на него напряжения от источника питания.
Фиг. 2 иллюстрирует способ обеспечения энергосберегающих режимов работы микроконтроллера и токовой отсечки GSM/GPRS модуля, где RC - эквивалентное сопротивление контроллера, RM - эквивалентное сопротивление GSM/GPRS модуля, СМ - суммарная (эквивалентная) емкость фильтрующих цепей GSM/GPRS модуля, Т1 -ключевой МОП-транзистор (MOSFET), VAKK - напряжение питания, С1 - конденсатор фильтрующей RC-цепочки, R1 - резистор фильтрующей RC-цепочки, РОТ_ШИМ -сигнал управления ключом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнал).
На фиг. 3 представлен пример осуществления способа с участком ключевой схемы коммутации GSM/GPRS модуля, где PORTB 1 микроконтроллера генерирует ШИМ-сигнал, плечо V_GSM идет на питание GSM/GPRS модуля.
Как показано на фиг. 2 во избежание работы источника питания на низкоомную нагрузку во время переходного процесса при открывании ключевого МОП-транзистора Т1 осуществляется плавная зарядка фильтрующих емкостей СМ GSM/GPRS-модуля. Это достигается модуляцией сопротивления канала транзистора Т1 плавным возрастанием напряжения на его затворе с использованием широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала РОТ_ШИМ, подаваемого на затвор Т1 через фильтрующую RC-цепочку R1C1. По прошествии одного периода этого сигнала длительность импульса увеличивается по линейному закону (длительность импульса увеличивается вдвое, втрое, вчетверо и т.д), период и амплитуда сигнала остаются неизменными.
Известно, что постоянная времени RC-цепочки τ=RC. Т.о, подобрав сочетание номинала резистора R1 и конденсатора С1 RC-цепочки, можно получить время нарастания напряжения на затворе транзистора Т1, перекрывающее время переходного процесса, и предотвратить работу источника питания на низкоомную нагрузку.
Рассмотрим пример осуществления данного способа (фиг. 3) для того, чтобы получить ограничение тока на уровне 200-400 мА. Для этого необходимо в момент переходного процесса иметь напряжение на затворе ключевого транзистора не более 1 В (исходя из зависимости тока через канал транзистора от напряжения на затворе при фиксированном напряжении на сток-исток).
Период ШИМ-сигнала выбран 256 мкс. В момент включения скважность управляющего сигнала равна 256 (период - 256 мкс, амплитуда - Vakk). Для достижения напряжения на затворе транзистора 1 В (для ограничения тока на уровне 200-400 мА) необходима скважность управляющего сигнала около 190, для чего, в соответствии с заданным алгоритмом, необходимо время:
Т=(256-190)·256 мкс ≈17 мс.
Известно, что за время 3τ емкость RC-цепочки заряжается на 95%, поэтому для обеспечения необходимого быстродействия и фильтрации выберем:
постоянную времени RC-цепочки τ=17 мс/3 ≈5,7 мс;
R1=5,7 кОм,
C1=1 мкФ.
Рассчитаем ток при переходном процессе, где dt=17 мс.
Примем СМ=1000 мкФ (типичное значение для номинала фильтрующих емкостей GSM/GPRS-модуля), a dUc=4,2 В (максимально возможная разность напряжений в нашей системе). Тогда
-3
i=С·dUc/dt=10·4,2/0,017 ≈247 (мА).
Видно, что за время ограничения тока сопротивлением канала транзистора его значение не выходит за пределы 200-400 мА, что обеспечивает щадящий режим работы источника питания, предотвращая его работу на низкоомную нагрузку.
Примером использования данного изобретения является применение описанного выше способа в автономном контроллере «Аква-2», предназначенном для чтения, записи и дистанционной передачи данных с двух приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS (ТУ 3464-001-1326225581-2014). Основными блоками контроллера «Аква-2» являются GSM/GPRS-модуль и управляющий им микропроцессор. Для обеспечения режимов энергосбережения GSM/GPRS-модуль в режиме ожидания между передачами данных, отключается от питания ключевым МОП-транзистором. После того, как приходит время, отсчитанное микропроцессором для очередной передачи данных, происходит подключение GSM/GPRS-модуля к источнику питанию описанным выше способом. Использование данного изобретения позволило автономному контроллеру «Аква-2» работать в течение 1 года от аккумулятора (14500 Li-ion 3,7 В, 900 мА·ч) с размером «пальчиковой» батарейки АА на жилых объектах ООО «ЭкономСервис» г. Москва.