Document ID: /fineweb-2-swissfilter-quality_10-filterrobots/filtered/03200.jsonl.gz/177

Reduzierung des Stromverbrauchs
In IoT-Anwendungen ist eine lange Batterielebensdauer erforderlich, und jede Technik zur Verlängerung der Nutzungsdauer wäre willkommen. LoRa-Funkgeräte arbeiten zuverlässig auf langen Strecken im offenen Gelände und sind ideal für raue Industrie-Umgebungen sowie städtische Umgebungen.
Das verwendete Testmodul war der Aurel Wireless XTR-8LR100. Wurde die Leistungsaufnahme gemessen, wobei sich das LoRa-Modul die meiste Zeit im Standby-Modus befand und die drei analogen Eingangswerte alle 400 Sekunden übertragen wurden. Der Stromverbrauch der 1,5-V-Batterie betrug für 4,6 ms 339 mA, was sich über den 206 ms langen Übertragungszyklus auf einen Durchschnitt von 121,6 mA reduzierte (Abb. 2).
Funktionsweise des Testaufbaus
Mit einer 240-mAh-3V-CR2032-Knopfzelle anstelle der AA-Batterie und des R-78S-Konverters würde die Batterielebensdauer nur 71 Tage betragen. In diesem Testaufbau beträgt der Weckstromverbrauch im Durchschnitt 224,5 mA für 211 ms, wobei die Schaltung im Sleep Mode 160 μA verbraucht. Eine AA-Alkali-Batterie hat eine typische Kapazität von 2700 mAh, sodass eine einzelne Zelle ausreichen würde, um das System für fast ein Jahr zu betreiben.
Könnte der Stromverbrauch im Sleep Mode jedoch auf null reduziert werden, würde die Batterie mehr als doppelt so lange halten — mehr als 800 Tage. Der Ausgang des R-78S kann mit dem Control-PinEingang deaktiviert werden. Allerdings kann das LoRa-Modul-Netzteil nicht einfach ausgeschaltet werden, da es die Versorgungsspannung im Bereich von 2,4 V bis 3,6 V benötigt, um den internen Intervall-Timer zu betreiben. Eine Lösung wäre, einen Kondensator an den LoRa-Modul-Eingang anzuschliessen und den R-78S die meiste Zeit mit einem Low-Power-Timer abzuschalten und ihn jedes Mal neu zu starten, wenn die Kondensatorspannung auf etwa 2,4 V abfällt oder das LoRa-Modul einen Übertragungszyklus startet.
Der Timer in Abb. 3 hält den R-78S die meiste Zeit ausgeschaltet, startet ihn aber oft genug, sodass die Spannung am Überbrückungskondensator C immer über 2,4 V bleibt. Das LoRa-Modul hat einen Ausgang, der bei jedem Senden low wird, sodass dieses Signal verwendet werden kann, um den Timer zu unterbrechen und sicherzustellen, dass Vcc für die Dauer des hohen Strombedarfs während des Sendezyklus stabil gehalten wird.
Timer-Betrieb
Der Nano-Power-Timer TPL5110 von TI wurde gewählt wegen seines äusserst geringen Stromverbrauchs und weil er über einen «DRV»-Ausgang direkt mit dem Enable-Pin des R-78S-Aufwärtswandlers verbunden werden kann. Der Tx-Ausgangspin des LoRa-Moduls ist normalerweise low — und high, sobald ein Sendesignal übertragen wird. Der «Done»-Eingang allerdings muss auf low gezogen werden, um den «DRV»-Pin einzuschalten. Daher wurde ein Micropower-Inverter (74LVC1G14) erforderlich, um das Signal zu invertieren. Wenn «Done» auf high gehalten wird, dann startet der nächste Zeitzyklus nach einer 50-ms-Verzögerung. Das bedeutet, der Ausgang ist immer für 50 ms eingeschaltet mit einer Zeitverzögerung bis zum nächsten Impuls, der vom Widerstand am «Delay»–Eingang gesetzt wird. Wenn «Done» auf low gezogen wird, ist die Timing-Funktion unterbrochen und der Ausgang eingeschaltet. Daher läuft der TPL5110 normal im Timer-Modus, und sobald Tx high wird, wird der Timer unterbrochen und der R-78S wird für die Dauer der LoRa-Übertragungssequenz eingeschaltet.
Auswahl der richtigen Kapazität
Weitere Untersuchungen ergaben, dass der interne Spannungsteiler des R-78S eine erhöhte Stromaufnahme aufweist. Die interne Referenzspannung ist auf 1,2 V festgelegt, sodass die Ausgangsspannung intern im Verhältnis 2,75 : 1 geteilt werden muss. Der zuvor genannte Spannungsteiler ist permanent mit dem Ausgangs-Pin verbunden und dient als Entladepfad für den Hold-up-Kondensator. Eine Diode in Serie war erforderlich, um einer Entladung gegen Ground entgegenzuwirken.
Die Wahl fiel auf einen 330-µF-Kondensator, der einen Peak-Kondensator-Ladestrom von 348 mA für eine Periode von 2,03 ms hatte. Dies entspricht einem durchschnittlichen Strombedarf im Sleep Mode von 62 μA oder einer Verringerung des Ruhestroms von 62 μA/160 μA ≈ 40 %.
Berücksichtigt man in der Lebensdauer-Berechnung den neuen Ruhestrom von 62 µA, ergibt sich eine Batterielebensdauer von etwas über 2 Jahren — mehr als die doppelte Lebensdauer, ohne die LoRa-Funkleistung zu beeinträchtigen. Eine deutlich bessere Batterielebensdauer kann erreicht werden, indem eine 1,5 -V-AA-Zellenspannung auf bis zu 3,3 V erhöht wird. Wenn die System-Versorgungsspannung durch einen Kondensator aufrechterhalten werden kann, ist es möglich, den Standby-Verbrauch zu reduzieren.
Für eine längere Batterie-Lebensdauer wird empfohlen, 2 AA-Batterien in Serie zu schalten. Der R-78S-Konverter wäre überflüssig, wenn die 3-V-Batterie-Versorgung direkt an das LoRa-Modul angeschlossen wird. Die Entladungskurve für eine AA-Batterie mit zwei Zellen zeigt jedoch, dass die Ausgangsspannung unter die minimale Vcc-Spannung von 2,4 V fallen würde, wenn nur 60 % der Batteriekapazität verwendet würden, wodurch 2200 mAh der verfügbaren Batterie-Energie ungenutzt blieben.
Durch die Verwendung des R-78S-3.6-1.0 ist es möglich, fast 100 % der verfügbaren Energie einer Batterie auszuschöpfen. Dies ist möglich, da die Boost-Funktion zuverlässig bis zu einer Eingangsspannung von 0,65 V arbeitet. Somit ist mit 2 AA-Batterien und einem R-78S eine minimale Anwendungszeit von 1000 Tagen möglich.
recom-power.com Bilder: Recom