NB-IoT智能燃?xì)獗淼凸墓╇娤到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司研發(fā)中心 王 珍 王濱濱 胡 莽

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，作為IoT領(lǐng)域的一個(gè)新興的技術(shù)，優(yōu)勢(shì)明顯。NB-IoT定義了當(dāng)前唯一具備大規(guī)模普及潛質(zhì)和高商業(yè)價(jià)值的長(zhǎng)距離低傳輸速率的通信技術(shù)，非常適合于傳感、計(jì)量、監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，適用于智能抄表等多類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼氖褂檬谴髣?shì)所趨，隨著“煤改氣”工程的逐步推進(jìn)和天然氣用量逐年增長(zhǎng)，燃?xì)獗淼男略龊透滦枨髮⒃谖磥韼啄陜?nèi)持續(xù)旺盛。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硎袌?chǎng)空間巨大。國(guó)內(nèi)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗黹_始進(jìn)入規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用階段，進(jìn)一步滿足了燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)商提升效率和信息化、智慧化服務(wù)的需求[1]。NB-IoT智能燃?xì)獗碜鳛槿細(xì)獗硇袠I(yè)的新勢(shì)力，因其具有技術(shù)成熟、抄表簡(jiǎn)單、功耗低、信息安全、全面管理等優(yōu)點(diǎn)，已越來越受到各大終端表廠商的追捧。

在NB-IoT智能燃?xì)獗砜刂破鞯脑O(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定可靠、低功耗的供電系統(tǒng)，對(duì)保證燃?xì)獗砣芷谥蟹€(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的。

1 供電系統(tǒng)

市面上常見的燃?xì)獗砉╇姺绞揭话阌赏庵霉╇姴糠趾蛢?nèi)置供電部分組成。其中外置供電部分為4節(jié)1.5 V堿性電池串聯(lián)組成，內(nèi)置供電部分則為一次性鋰亞電池組成，即采用外保內(nèi)的供電方式。當(dāng)內(nèi)電外電同時(shí)供電時(shí)，主要由4節(jié)外置堿性電池給控制板各個(gè)模塊供電；當(dāng)外電拔出，由一次性鋰亞電池給控制板各個(gè)模塊供電。為了滿足NB模組在外電掉電的情況下還能穩(wěn)定的通信，保證通信成功率，本方案中給出一種用超級(jí)脈沖復(fù)合電容UPC1520設(shè)計(jì)的充放電電路。當(dāng)回路導(dǎo)通時(shí)，電池和超級(jí)電容同時(shí)提供負(fù)載電流，回路斷開時(shí)，電池對(duì)超級(jí)電容充電；采用超級(jí)電容器可補(bǔ)償電池電流，緩解電池輸出大電流的壓力，并使得電池端電壓下降減少，內(nèi)部損耗減少，進(jìn)而提高電容器的壽命[2]。當(dāng)外置電池被取出后，由UPC1520儲(chǔ)存的電量提供燃?xì)獗淼綦姾蟮年P(guān)閥和通信上報(bào)功能。智能燃?xì)獗砉╇娤到y(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 智能燃?xì)獗砉╇娤到y(tǒng)示意

2 電路設(shè)計(jì)

智能燃?xì)獗淼墓╇娤到y(tǒng)由內(nèi)置電源供電端口、外置電源供電端口、UPC充放電電路、掉電檢測(cè)電路、采樣電路、電壓轉(zhuǎn)換電路和可控制開關(guān)電路組成。具體原理圖見圖2。

圖2 智能燃?xì)獗砉╇娤到y(tǒng)原理

電路①②分別有外置電源供電端口和內(nèi)置電源供電端口。VD1、VD3為單向二極管，本設(shè)計(jì)中選用的是硅二極管，壓降約0.7 V。6 V外置電源上電后，VD1導(dǎo)通，后端電壓約為5.3 V；3.6 V內(nèi)置一次性鋰亞電池上電后，在外電充足的情況下 VD3是不導(dǎo)通的，系統(tǒng)優(yōu)先消耗外置電池的電量。當(dāng)VD2后端電壓低于2.9 V時(shí)，VD3導(dǎo)通，內(nèi)置一次性鋰亞電池給系統(tǒng)供電。這樣的設(shè)計(jì)可以在滿足智能燃?xì)獗韷勖那闆r下，降低對(duì)一次性鋰亞電池電量的要求。

電路③為掉電中斷檢測(cè)電路。當(dāng)外部電池被拔出后，會(huì)反饋給系統(tǒng)一個(gè)中斷電平，燃?xì)獗硐到y(tǒng)檢測(cè)到掉電事件后，系統(tǒng)進(jìn)行掉電關(guān)閥、上報(bào)的操作。圖2中R1、R4組成分壓限流電路。由于R1、R4的電流回路在燃?xì)獗淼恼麄€(gè)生命周期中都是通的，所以R1、R4的阻值不能選得太小，一般選MΩ級(jí)電阻，在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，控制電路電流，降低整體功耗，電路電流I=6 V/(R1+R4) Ω。

電路④為外置電池供電電路采樣電路。為了降低系統(tǒng)功耗，采樣電路搭配了開關(guān)控制電路。當(dāng)控制V AD EN端口為低電平時(shí)，PNP三極管VQ1、NPN三極管VQ2均工作在截止區(qū)，V AD采樣點(diǎn)所在的回路不通，這樣在不需要采樣時(shí)回路不通，可降低電流消耗。當(dāng)控制端口V AD EN為邏輯高電平時(shí)，V AD采樣點(diǎn)所在回路導(dǎo)通，通過分壓電阻R3、R7采樣，采樣完成后，等比例還原為真實(shí)值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制過程。

電路⑤為電壓轉(zhuǎn)換電路。本方案選用帶使能的LDO來實(shí)現(xiàn)，5.3 V電壓轉(zhuǎn)換成3.6 V，給NB模塊供電。以移遠(yuǎn)BC95系列模組為例，供電電壓3.1～4.2 V，典型值3.6 V，并且電源必須能夠提供0.5 A的電流。本方案中選用的是 HE6236M5R，靜態(tài)功耗2 μA，峰值電流0.5 A。電路⑤后端搭配VQ3、VQ8組成的開關(guān)控制電路⑥完成對(duì)NB模組供電的控制。在不需要通信時(shí)，NB PWR EN端口為低電平，VQ3、VQ8不導(dǎo)通，降低系統(tǒng)功耗；在需要通信時(shí)，NB PWR EN端口為高電平，VQ3、VQ8導(dǎo)通，給NB模組供電。

電路⑦是一個(gè)超級(jí)電容UPC1520。通過VD1、VD4、VD2、R9和其他供電電路組成了UPC的充放電電路。當(dāng)內(nèi)外電正常供電，內(nèi)外電電量充足時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD4、VD2不導(dǎo)通，供電系統(tǒng)由電壓轉(zhuǎn)換電路⑤將電壓轉(zhuǎn)換為 3.6 V后通過 R9給UPC1520充電，充滿電的UPC兩端電壓為3.6 V。當(dāng)外置一次性鋰亞電池電量低，需要更換電池導(dǎo)致外電掉電后，VD2導(dǎo)通，VD1、VD4不導(dǎo)通，電路⑦中UPC1520放電，給整個(gè)系統(tǒng)供電，滿足NB模組掉電上報(bào)，內(nèi)置電機(jī)閥掉電關(guān)閥。UPC1520放電電壓低于2.0 V時(shí)，可能導(dǎo)致性能衰減或內(nèi)阻升高，為降低這一風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中增加了 VD4回路，如果外電一直不上電，UPC1520兩端電壓低于與內(nèi)置鋰亞電池兩端電壓的差值大于0.7 V后，VD3、VD4導(dǎo)通，內(nèi)置鋰亞電池通過導(dǎo)通的VD4給UPC1520供電，維持UPC1520兩端電壓，降低UPC出現(xiàn)饋電現(xiàn)象導(dǎo)致性能衰減或內(nèi)阻升高的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

3 電路功耗測(cè)試方案

本方案功耗測(cè)試方法，主要用到了Keysight 的直流電源分析儀N6705，搭配Keysight 14585A使用。Keysight 14585A 控制和分析軟件適用于控制N6705的高級(jí)功能，并分析來自分析儀的數(shù)據(jù)。該軟件的控制操作與PC類似。利用該設(shè)備，可以方便地測(cè)試出供電系統(tǒng)的電流變化情況和整體功耗情況。測(cè)試環(huán)境示意見圖3。

圖3 測(cè)試環(huán)境示意

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)外電由電路⑤轉(zhuǎn)換為 3.6 V后給 UPC1520充電。這部分電能是儲(chǔ)存在超級(jí)脈沖復(fù)合電容里的，并不是控制板上直接消耗掉的，所以在評(píng)估控制器的整體功耗時(shí)，不能籠統(tǒng)地直接帶著UPC電路評(píng)估，而應(yīng)該單獨(dú)評(píng)估UPC電路的功耗。另外，此測(cè)試方案是為了測(cè)試整個(gè)供電系統(tǒng)功耗，而不是整個(gè)燃?xì)獗砜刂破鞴?，所以不帶通信模塊、計(jì)量模塊、紅外模塊等。

3.1 不帶UPC電路功耗測(cè)試

用N6705搭配Keysight 14585A使用來測(cè)試功耗。主要用到差值法，即以一種條件下測(cè)試的電流值為基準(zhǔn)，增加或刪減某一電流回路后再次測(cè)量消耗的電流值，前后兩次差值的絕對(duì)值為這一增加或刪減電路當(dāng)前狀態(tài)下所消耗的電流值[4-5]。

對(duì)供電系統(tǒng)來講，有兩種工作情況下的功耗需要測(cè)試評(píng)估。一種是控制器處在低功耗模式，此時(shí)供電系統(tǒng)中控制電路④、電路⑥的是能引腳V AD EN、NB PWR EN均為低電平；另一種是控制器處在非低功耗模式，此時(shí)供電系統(tǒng)中控制電路④、電路⑥的是能引腳V AD EN、NB PWR EN均為高電平，電路④、電路⑥所在的電路回路是通路，消耗電能。

測(cè)試步驟如下：

(1) 以低功耗條件下測(cè)試的電流值為基準(zhǔn)，斷開R11，將R5與V AD EN相連一端通過調(diào)試線與GND相接，將R70與NB PWR EN相連一端也通過調(diào)試線與GND相接，N6705通道正負(fù)極與J1相連，提供6 V的恒壓源，測(cè)量此時(shí)的電流值aμA。

(2) 差值法測(cè)量電路④的功耗。在前一步的基礎(chǔ)上，將R5與V AD EN相連一端通過調(diào)試線與J2的正極相接，將N6705通道正負(fù)極與J1相連，提供6 V的恒壓源，測(cè)量得此時(shí)的電流值bμA，由此可以計(jì)算出電路④工作時(shí)的功耗為：(b-a) μA 。

(3) 差值法測(cè)量電路⑦的功耗。在第一步的基礎(chǔ)上，將R70與NB PWR EN相連一端也通過調(diào)試線與J2的正極相接， N6705通道正負(fù)極與J1相連，提供6 V的恒壓源，測(cè)量得此時(shí)的電流值cμA，由此可以計(jì)算出電路④工作時(shí)的功耗為：(c-a) μA 。

3.2 UPC1520電路測(cè)試

關(guān)于 UPC1520的測(cè)試并不是指對(duì)超級(jí)脈沖復(fù)合電容 UPC1520電性能參數(shù)的測(cè)試，本方案中所指的測(cè)試是為了驗(yàn)證 UPC1520是否滿足燃?xì)獗淼墓δ苄枨蠛蛪勖枨蠖M(jìn)行的測(cè)試。智能燃?xì)獗碇杏幸粋€(gè)功能是掉電關(guān)閥上報(bào)，即在用戶人為的拔出外置干電池后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到掉電事件，立即下發(fā)關(guān)閥指令，且會(huì)自動(dòng)上報(bào)與表具管理平臺(tái)進(jìn)行通信，告知表具狀態(tài)，而 UPC1520的放電電路為這一系列過程的供電起到了關(guān)鍵作用，所以評(píng)估UPC1520充電過程的功耗，以及儲(chǔ)存的容量是否滿足掉電關(guān)閥和上報(bào)的需求就尤為重要。本方案針對(duì)UPC1520電路的測(cè)試主要就這兩點(diǎn)進(jìn)行闡述。

(1) UPC1520充電電路功耗測(cè)試。系統(tǒng)外電給UPC1520充電。這部分電能是儲(chǔ)存在UPC1520里的，并不是控制板上直接消耗掉的，所以實(shí)際評(píng)估UPC1520充電電路工作的功耗需要在UPC1520充滿電后測(cè)量評(píng)估[2]。

在不帶UPC1520電路功耗的測(cè)試步驟1的基礎(chǔ)上，焊接上一個(gè)新的UPC1520，將N6705通道正負(fù)極與J1相連，提供6 V的恒壓源，通過PC端軟件 14585A檢測(cè) UPC1520從充電到充滿電的過程中，供電系統(tǒng)的電流大小，測(cè)出 UPC1520充滿電后的供電系統(tǒng)消耗的電流，測(cè)量此時(shí)的電流值dμA，則UPC1520電路充滿電后消耗的電流值為(d-a) μA。

(2) UPC1520放電電路功能測(cè)試。主要評(píng)估UPC1520充滿電的容量是否滿足掉電后的關(guān)閥和上報(bào)的需求。測(cè)試方案主要是利用N6705的電流負(fù)載功能檢測(cè)在燃?xì)獗淼纳芷谥?UPC1520的實(shí)際有效使用容量，評(píng)估是否滿足使用要求。本方案中選用的UPC1520的充放電性能見表1。

表1 UPC1520的充放電性能參數(shù)表

本方案中利用電壓轉(zhuǎn)換電路提供3.6 V的電壓給 UPC1520充電，所以充滿電的容量≤140 As。UPC過放電可能會(huì)導(dǎo)致性能衰減或內(nèi)阻升高，為保證 UPC1520的正常工作，測(cè)試的有效容量截止電壓為2.5 V。

為了測(cè)試評(píng)估有效容量是否滿足設(shè)計(jì)需求，需要測(cè)試燃?xì)獗韮?nèi)置電機(jī)閥的關(guān)閥電流和表具自動(dòng)上報(bào)過程的電流消耗，以此來評(píng)估 UPC1520的最大放電電流是否滿足要求，也作為負(fù)載電流的設(shè)置依據(jù)。為方便闡述，將表2作為電機(jī)閥開關(guān)、自動(dòng)上報(bào)的評(píng)估測(cè)試數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)來源于隨機(jī)選取的量產(chǎn)燃?xì)獗淼臉颖緮?shù)據(jù)。

表2 單次關(guān)閥和自動(dòng)上報(bào)樣本數(shù)據(jù)

從樣本數(shù)據(jù)中得出，掉電后一次關(guān)閥上報(bào)操作大于需要消耗電量為0.3 mAh。評(píng)估UPC1520是否滿足功能需求，UPC充電儲(chǔ)存的電量需要滿足關(guān)閥和自動(dòng)上報(bào)過程中峰值電流持續(xù)過程消耗的電量，也需要滿足非峰值電流持續(xù)過程消耗的總電量。

本測(cè)試方案中，UPC1520的峰值電流有效容量和峰值電流持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的測(cè)試直接按照 UPC1520電性能參數(shù)提供的 UPC1520的最大連續(xù)放電電流進(jìn)行測(cè)試。

將一只新的 UPC1520的正負(fù)電極與電源分析儀N6705通道正負(fù)極相連，以25 mA恒流源，限壓3.6 V給UPC1520充滿電，之后將N6705通道設(shè)置成為500 mA恒流負(fù)載模式，讓UPC1520放電至2.5 V截止電壓，測(cè)得按最大連續(xù)放電電流的有效功耗為14.43 mAh，放電時(shí)長(zhǎng)103.9 s。從數(shù)據(jù)結(jié)果分析，14.43 mAh遠(yuǎn)大于一次關(guān)閥上報(bào)操作需消耗電量0.3 mAh，并且實(shí)際使用中，燃?xì)獗黻P(guān)閥，上報(bào)操作消耗電量小于按持續(xù)最大放電500 mA放電所消耗的電量，即表明 UPC1520存儲(chǔ)的電量有足夠的余量滿足掉電后的關(guān)閥和自動(dòng)上報(bào)，即使信號(hào)不良的情況下也可多次上報(bào)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)智能燃?xì)獗砉╇娤到y(tǒng)電路原理的分析和供電系統(tǒng)功耗的測(cè)試，以及超級(jí)脈沖復(fù)合電容UPC1520 放電容量的評(píng)估，本方案設(shè)計(jì)很好地滿足了NB-IoT智能燃?xì)獗淼綦姾蟮年P(guān)閥和自動(dòng)上報(bào)操作，同時(shí)低功耗的設(shè)計(jì)也保證了燃?xì)獗淼氖褂脡勖蟆?/p>