Subsistema de alimentación solar + batería para un nodo IoT agrícola remoto

1) Propósito y contexto

Un nodo de monitoreo remoto solo es tan fiable como su subsistema de energía. Este subsistema de energía está diseñado para un nodo IoT alimentado por energía solar y respaldado por batería, utilizado en monitoreo agrícola y sensores remotos. El nodo debe mantener vivo a un microcontrolador (MCU) y la lógica esencial 24/7 desde un riel continuo de 3,3 V, mientras que rieles auxiliares conmutables (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) alimentan sensores, radios y actuadores solo cuando se necesitan mediante una señal común EN_AUX. El diseño debe tolerar un entorno exterior severo (cambios de temperatura, humedad, suciedad, ESD), manejar voltajes de panel de hasta el rango alto de los 20 V típicos de módulos fotovoltaicos (PV) “clase 12 V”, y proteger el paquete de baterías Li-ion de abusos (eventos de sobre/subvoltaje y corriente) con visibilidad detallada del estado de carga.

A alto nivel (ver el diagrama de bloques proporcionado), la energía fluye desde un conector solar robusto Deutsch DT hacia la protección contra corriente inversa y un cargador solar MPPT, luego hacia un paquete de baterías 18650 de 1 celda (celdas en paralelo para capacidad). Aguas abajo del paquete, un eFuse de protección impone UVLO/OVLO y limitación de corriente. Un regulador buck-boost siempre activo de 3,3 V alimenta el MCU (“3V3_CNT”). Tres reguladores auxiliares (step-up de 12 V, buck-boost de 5 V, buck-boost de 3,3 V) se habilitan mediante EN_AUX para minimizar el consumo en reposo. Un circuito integrado de medición de combustible reporta SoC y voltaje al MCU mediante I²C.

Las decisiones de diseño se justifican a continuación con alternativas y compromisos. Cada sección termina con una tabla de comparación concisa. Las citas numéricas en línea usan numeración entre corchetes al estilo APA (por ejemplo, [4]); la lista completa de referencias aparece al final.

2) Entrada solar y front-end

2.1 Panel PV y conector de campo

Lo que usamos y por qué. El sistema espera un módulo PV “clase 12 V” (≈17–18 V en máxima potencia, ≈21–22 V en circuito abierto, dependiendo de la temperatura) conectado a través de un conector sellado Deutsch DT de 2 pines. Los conectores DT se usan ampliamente en equipos agrícolas y fuera de carretera por sus sellos con clasificación IP, robustez del seguro y resistencia a vibraciones, reduciendo los problemas de ingreso de agua y contacto intermitente comunes con los conectores DC barrel genéricos en el campo [14]. El Voc más alto de los paneles “12 V” es normal y asegura margen para la carga; esto lo maneja el cargador MPPT downstream [20]. RS ComponentsAltE Store

Alternativas consideradas. Conectores circulares M8 (sensores industriales) y jacks barrel no sellados. El DT ganó por su sellado y cierre táctil positivo; los M8 sellan de forma comparable pero requieren bulkheads de panel y cuestan más; los jacks barrel fueron rechazados por su mala protección contra ingreso.

2.2 Protección contra corriente inversa y sobretensiones (lado PV)

Lo que usamos y por qué. Un eFuse de alta tensión con bloqueo de polaridad/corriente inversa (familia TI TPS2660x) protege el sistema contra errores de cableado y evita que la batería retroalimente un panel oscuro. Comparado con un diodo Schottky, el eFuse evita grandes pérdidas por conducción, soporta límite de corriente ajustable y tolera el peor caso de Voc/transitorios de ≈30 V de paneles “12 V” [3]. Texas Instruments

Alternativas consideradas.

Racional: en un nodo remoto, la supervivencia supera a los pequeños ahorros de BoM. El eFuse brinda el comportamiento correcto bajo mal cableado, conexión en caliente y caídas de panel.

2.3 Controlador de carga solar MPPT

Lo que usamos y por qué. TI bq24650: un cargador buck síncrono con lazo MPPT de voltaje constante integrado. Reduce la corriente de carga para que el panel opere cerca de su MPP programado y soporta un amplio rango de entrada PV, ideal para módulos “clase 12 V” [4]. El dispositivo maneja pre-carga, terminación y estado; carga un paquete Li-ion de 1 celda a 4,2 V (ajustable mediante retroalimentación). Texas InstrumentsFarnell

Alternativas consideradas.

Racional: el bq24650 ofrece el equilibrio adecuado de rango de entrada, eficiencia y comportamiento documentado de MPPT para nuestra clase de panel. Si el sistema priorizara el BoM mínimo sobre la corriente pico de carga, el LT3652 sería una alternativa creíble. Analog Devices

Nota sobre longevidad de la batería. Si el ciclado de vida útil es primordial, el voltaje de carga puede reducirse (por ejemplo, a 4,10 V) para extender la vida útil del ciclo a costa de la capacidad; la literatura de la industria reporta consistentemente grandes ganancias en la vida útil del ciclo al cargar por debajo de 4,2 V [6]. Mantenemos 4,20 V aquí para preservar la capacidad completa para cargas pico, con la opción de reducir más tarde mediante el divisor de retroalimentación. Battery University

3) Almacenamiento de energía: paquete de baterías 18650 de 1 celda

Lo que usamos y por qué. Un paquete Li-ion de 1S (1 celda) construido a partir de múltiples celdas 18650 en paralelo para aumentar la capacidad y la corriente pico mientras mantiene el sistema en 3,0–4,2 V. Esto mantiene eficientes los convertidores downstream y permite un solo CI cargador. Usar celdas de buena reputación (por ejemplo, Samsung 30Q/35E) asegura impedancia y vida útil del ciclo consistentes, importantes para arranques en frío y ráfagas de radio. Las capacidades típicas son 3000–3500 mAh por celda (la elección exacta es una decisión de BoM). Para una larga vida en aplicaciones con ciclo de trabajo, evitamos la descarga profunda (ver UVLO en §3) y, si es necesario, podemos adoptar un voltaje de flotación más bajo según la nota anterior [6].

Alternativas consideradas. 2S Li-ion (un bus más alto simplifica el boost de 12 V pero aumenta el número de componentes), o LiFePO₄ 1S (más seguro/mayor vida útil del ciclo pero menor densidad de energía, cargador diferente). Elegimos 1S Li-ion para minimizar la diversidad de CIs y mantener alta eficiencia del convertidor a cargas ligeras.

4) Protección del lado de la batería (eFuse + supervisores)

Lo que usamos y por qué. Un eFuse del lado de la batería (TI TPS25946) proporciona limitación de corriente ajustable, UVLO y OVLO, control de arranque (inrush) y control de corriente inversa. Este dispositivo desconecta limpiamente el paquete de los rieles downstream ante fallas (cortocircuitos, sobrevoltaje), limitando el estrés y previniendo latch-ups cuando las cargas se conectan en caliente. Un supervisor de voltaje dedicado proporciona UVLO preciso alrededor de 3,3 V (para preservar la salud de la celda) y OVLO alrededor de 4,1 V (usado opcionalmente si elegimos limitar el bus del sistema durante la transferencia de carga). El FET y el lazo de control integrados del eFuse son significativamente más predecibles que los fusibles de polímero + MOSFETs discretos en electrónica de baja potencia [7]. Texas Instruments

Alternativas consideradas.

5) Rieles del sistema, enables y power-gating

Un solo riel 3,3 V siempre activo alimenta al MCU y al medidor de combustible. Los rieles auxiliares (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) están deshabilitados por defecto y solo se habilitan cuando las tareas los requieren. Esta estrategia de power-gating reduce el consumo en reposo al eliminar tanto la corriente de reposo del regulador como las corrientes de fuga de los sensores cuando no se usan. Cuando las cargas tienen gran capacitancia de entrada (por ejemplo, radios, solenoides), la secuencia de enable permite que los soft-starts del eFuse y del regulador dominen el inrush. Si se requiere un control de inrush particularmente agresivo por carga, un pequeño load switch (por ejemplo, TPS22965) en el punto de carga del riel puede añadir control adicional de slew-rate con IQ de microamperios [17]. Texas Instruments

5.1 Riel 3,3 V siempre activo (MCU): buck-boost síncrono (TPS63020)

Lo que usamos y por qué. El TPS63020 mantiene 3,3 V a lo largo de todo el rango de la batería (≈3,0–4,2 V), transicionando sin problemas entre buck y boost. Su modo de ciclo de trabajo del 100 % minimiza pérdidas de conmutación y ripple cuando Vin está apenas por encima de Vout (común a 3,5–3,8 V), lo cual es ideal para un riel de MCU silencioso. Ofrece buena eficiencia a cargas ligeras sin los problemas de dropout que tendría un buck-only [1]. Texas Instruments

Alternativas clave (y cuándo podrían ganar).

Por qué elegimos buck-boost: necesitamos garantizado 3,3 V en cualquier SoC con buena eficiencia y bajo ripple para el MCU y dispositivos I²C.

5.2 Riel auxiliar de 5 V: buck-boost síncrono (TPS63020)

Este riel alimenta periféricos de 5 V cuando se activa EN_AUX. La topología y el CI son intencionalmente los mismos que en §4.1 para reducir la diversidad de BoM y reutilizar el conocimiento de layout. Aquí el convertidor opera exclusivamente en la región de boost (ya que 3,0–4,2 V → 5 V). Un convertidor boost-only (por ejemplo, TPS61023) es una alternativa válida y puede ser ligeramente más barato con un IQ muy bajo, pero reutilizar el TPS63020 simplificó la calificación y el modelado térmico [10]. Texas Instruments

Diferencias dirigidas vs. §4.1:
• Se esperan cargas de ráfaga más pesadas (sensores clase USB, front-ends analógicos), por lo que dimensionamos el inductor y los capacitores de salida en consecuencia.
• Como el riel está apagado la mayor parte del tiempo, su IQ de apagado domina: el disable current del TPS63020 es suficientemente bajo para nuestro presupuesto [1].

Comparación enfocada para 5 V:

5.3 Riel auxiliar de 12 V: boost síncrono (TPS61377)

Lo que usamos y por qué. El TPS61377 entrega 12 V (y más) desde el bus de 1S con corriente pico de interruptor de 6 A y ~70 µA de IQ; está bien adaptado a solenoides, válvulas e instrumentación que necesitan 12 V solo intermitentemente. Soporta PFM/PWM seleccionables para eficiencia a carga ligera, y tiene protecciones OVP/OCP. En nuestro diseño, su enable está ligado a EN_AUX [2]. Texas InstrumentsMouser Electronics

Alternativas consideradas.

6) Medición de combustible y telemetría

Lo que usamos y por qué. Medidor de combustible MAX17043 con el algoritmo ModelGauge del fabricante. Reporta estado de carga y voltaje de celda mediante I²C sin resistor de sensado, minimizando pérdidas y simplificando el layout. Sus umbrales de quick-start y alerta facilitan implementar comportamientos robustos de batería baja en el MCU [5]. Analog Devices

Alternativas consideradas.

Por qué elegimos MAX17043: necesitábamos monitoreo detallado con mínimo overhead de BoM/firmware y sin pérdidas por shunt: ideal para un nodo con restricción energética.

7) Notas de integración del sistema

1. Power-gating de EN_AUX. El MCU mantiene 3V3_CNT siempre activo. Cuando las tareas requieren periféricos, activa EN_AUX. Los tres reguladores auxiliares comparten EN_AUX, pero se pueden agregar enables escalonados en firmware si eventos de inrush hacen caer el bus. Los load-switches (TPS22965) se pueden agregar en cargas individuales que aún necesiten control de slew-rate [17]. Texas Instruments
2. Tierra y layout. Mantén el retorno del PV, la tierra de potencia del cargador y los reguladores conmutados en un plano de tierra de baja impedancia. Conecta en estrella el retorno del eFuse/batería a ese plano para evitar errores de sensado en la red del cargador/límite de corriente.
3. Comportamiento de brown-in/out. El UVLO del eFuse del lado de la batería evita la descarga profunda; el cargador MPPT reinicia la carga cuando el PV se recupera. Esta coordinación evita bucles de “carga mientras hay brown-out”.
4. Puntos de ajuste de carga. Objetivo por defecto de 4,20 V; perfil opcional de 4,10 V para extensión de vida útil según §1.3 si una futura revisión de firmware/BoM intercambia capacidad por vida útil del ciclo [6].
5. Expectativas de voltaje del PV. Paneles “clase 12 V” que miden ≈22 V en circuito abierto son normales; la regulación de entrada (MPPT) del cargador está diseñada exactamente para ese régimen [4][20]. Texas InstrumentsAltE Store

8) Evaluación de riesgos y mitigaciones

• Retroalimentación y mal cableado: eFuse (lado PV y lado batería) con bloqueo de corriente inversa y OVP/UVP reduce drásticamente el riesgo de fallas de campo en comparación con diodos/polyswitches solos [3][7]. Texas Instruments+1
• Estrés de la batería: UVLO alrededor de 3,3 V y coordinación térmica/OVLO protegen la salud de la celda. Usa celdas emparejadas, mantén baja la impedancia del paquete y configura los temporizadores del cargador adecuadamente.
• EMI/ruido en el riel del MCU: el modo de ciclo de trabajo del 100 % del TPS63020 y la selección adecuada de LC mantienen el ripple bajo en la región de buck; coloca el inductor y los capacitores de entrada/salida según la guía de layout del datasheet [1]. Texas Instruments
• Cargas de ráfaga auxiliares: para solenoides/válvulas alimentados por 12 V, incluye TVS locales y caminos de flyback si son inductivas; confía en la OCP del boost y el límite de corriente del eFuse del lado de la batería para contener fallas [2][7]. Texas Instruments+1

9) Resúmenes componente por componente con alternativas

A continuación, cada bloque enumera solo detalles incrementales si reutiliza conceptos ya cubiertos. Esto evita repetición y se enfoca en las diferencias que importan.

9.1 Panel solar + conector

• Elegido: módulo “clase 12 V” de ~25 W, conector Deutsch DT-2.
• Por qué: Robusto, sellado, reparable en campo; el Voc de margen del panel es esperado y manejado por el cargador [14][20]. RS ComponentsAltE Store

9.2 Protección contra corriente inversa (entrada PV)

• Elegido: eFuse TPS2660x hasta 60 V.
• Por qué: Protección completa (OVP/UVP/ILIM) y bajas pérdidas; mejor que diodo o diodo ideal básico para un nodo en campo [3][8][9]. Texas InstrumentsFarnelldeutschconnectorstore.com

9.3 Cargador MPPT

• Elegido: bq24650, MPPT tipo CV; Li-ion 1S a 4,20 V.
• Alternativas: LT3652 (monolítico de 2 A), CN3791 (rentable).
• Por qué: Rango de entrada y documentación sólida para PV hacen del bq24650 una opción flexible para paneles “clase 12 V” [4][12][13]. Texas InstrumentsAnalog Deviceslaskakit.cz

9.4 Paquete de baterías

• Elegido: 1S-nP 18650 (capacidad escalable por n).
• Por qué: Alta densidad de energía, riel de carga único; ecosistema común.
• Nota: Carga opcional de 4,10 V para longevidad según §1.3 [6]. Battery University

9.5 Protección de batería

• Elegido: eFuse TPS25946 + supervisor para UVLO/OVLO.
• Alternativas: Protectores clase DW01A (a nivel de paquete), o “sin protección extra”.
• Por qué: Comportamiento ajustable y predecible a nivel de sistema supera umbrales fijos [7][18]. Texas Instruments+1

9.6 3,3 V siempre activo (MCU)

• Elegido: buck-boost TPS63020.
• Alternativas: LDO TPS7A02 (crítico por ruido, ultra-bajo IQ); buck TPS62130 (inseguro cerca de 3,3 V de entrada).
• Por qué: Regulación garantizada a lo largo de todo el SoC con buena eficiencia [1][15][11]. Texas Instruments+2Texas Instruments+2

9.7 Auxiliar de 5 V

• Elegido: buck-boost TPS63020 (reutilización).
• Alternativa: TPS61023 (boost-only) si la reducción de BoM supera a la reutilización [10]. Texas Instruments

9.8 Auxiliar de 12 V

• Elegido: boost TPS61377.
• Alternativa: LT3757/LM3478 SEPIC para entrada muy amplia o salidas más altas [16]. Texas InstrumentsOctopart

9.9 Medidor de combustible

• Elegido: MAX17043.
• Alternativas: bq27441, MAX17048.
• Por qué: Sin shunt, bajo overhead, integración I²C simple [5]. Analog Devices

10) Lista de verificación de verificación

1. Lado PV
   • Con el panel conectado y sin batería, confirmar que el eFuse permite la conducción hacia adelante y que el bq24650 regula la entrada cerca del MPP bajo carga.
   • En oscuridad, verificar que no haya corriente inversa hacia el panel (solo fugas del orden de mA).
2. Parámetros de carga
   • Medir corrientes de pre-carga, carga rápida y terminación CV según los puntos de ajuste de diseño.
   • Confirmar que el termistor (si se usa) limita la carga en condiciones de frío/calor (conjunto de funciones del bq24650).
3. Protección de batería
   • Barrer el bus de 2,8 V→3,6 V y confirmar el disparo de UVLO alrededor de 3,3 V; verificar el comportamiento de OVLO durante transitorios de transferencia de carga.
   • Cortocircuitar el riel de 5 V/12 V en el borde de la placa con una fuente limitada en corriente aguas arriba; confirmar el límite de corriente del eFuse y el comportamiento de auto-reintento.
4. Rieles y enables
   • Con EN_AUX bajo, medir la corriente de reposo (objetivo: dominada por el IQ del MCU + regulador 3V3_CNT).
   • Conmutar EN_AUX mientras se registra la corriente de la batería; asegurar que el inrush se mantenga dentro de los límites y que el riel del MCU no se sumerja.
5. Medidor de combustible
   • Calibrar umbrales de alerta; confirmar que el SoC sigue secuencias de carga/descarga de manera sensata a través de temperaturas.

11) Conclusión

Esta arquitectura logra operación robusta en exteriores con control fino de energía. La etapa bq24650 MPPT maximiza la recolección de energía desde paneles “clase 12 V”; un paquete Li-ion de 1S simplifica las etapas de conversión y mantiene la eficiencia; una estrategia de protección centrada en eFuse endurece el nodo contra fallas de cableado y carga; y los rieles gobernados por EN_AUX aseguran que las cargas auxiliares no erosionen la vida útil en reposo. Los componentes seleccionados logran un equilibrio práctico entre eficiencia, costo y resiliencia, y cada bloque tiene alternativas claras si los requisitos futuros cambian.

Referencias

[1] Texas Instruments. (2023). TPS63020 – High efficiency single inductor buck-boost converter. Datasheet. Source: https://www.ti.com/product/TPS63020
[2] Texas Instruments. (2024). TPS61377 – 23-VIN, 25-VOUT, 6-A synchronous boost converter. Product page and EVM. Source: https://www.ti.com/product/TPS61377 and https://www.ti.com/lit/gpn/tps61377
[3] Texas Instruments. (2021). TPS2660x – 60-V, 2-A eFuse with reverse polarity and over-voltage protection. Datasheet. Source: https://www.ti.com/product/TPS2660
[4] Texas Instruments. (2016/2024). BQ24650 – Stand-alone synchronous buck battery charger for solar power with MPPT. Datasheet and EVM notes. Source: https://www.ti.com/product/BQ24650 and https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq24650.pdf
[5] Analog Devices (Maxim Integrated). (2016). MAX17043/MAX17044 – 1-Cell/2-Cell fuel gauge with ModelGauge. Datasheet. Source: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/max17043-max17044.pdf
[6] Cadex Electronics. (n.d.). Battery University BU-808: How to prolong lithium-based batteries – effect of charge voltage on cycle life. Source: https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries
[7] Texas Instruments. (2023/2024). TPS25946 – 2.7-V to 23-V, 5.5-A eFuse with bidirectional current support. Datasheet. Source: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps25946.pdf
[8] Analog Devices (Linear Technology). (2010). LTC4412 – Low loss PowerPath controller for ideal-diode ORing. Datasheet. Source: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/4412fc.pdf
[9] Texas Instruments (National Semiconductor). (2011). LM5050-1 – Ideal diode controller. Datasheet. Source: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5050-1.pdf
[10] Texas Instruments. (2020). TPS61023 – 5-V boost converter with low IQ. Datasheet. Source: https://www.ti.com/product/TPS61023
[11] Texas Instruments. (2017). TPS62130 – 3–17 V, 3-A step-down converter. Datasheet page. Source: https://www.ti.com/product/TPS62130
[12] Analog Devices. (2015). LT3652 – Power tracking 2-A battery charger for solar power. Datasheet. Source: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3652fe.pdf
[13] Consonance Electronic. (n.d.). CN3791 – 4 A standalone Li-ion charger with photovoltaic MPPT. Datasheet. Source: https://www.laskakit.cz/user/related_files/dse-cn3791-2.pdf
[14] TE Connectivity. (2018). DEUTSCH DT series connector system – application specification. Document. Source: https://docs.rs-online.com/9955/A700000011098985.pdf
[15] Texas Instruments. (2020). TPS7A02 – 200-mA, 25-nA Iq, low-dropout voltage regulator. Datasheet. Source: https://www.ti.com/product/TPS7A02
[16] Texas Instruments / Analog Devices. (2011+). LM3478 and LT3757 – Wide-VIN boost/SEPIC controllers. Datasheets. Sources: https://www.ti.com/product/LM3478 and https://www.analog.com/en/products/lt3757.html
[17] Texas Instruments. (2021). TPS22965 – 6-V, 6-A load switch with quick output discharge. Datasheet. Source: https://www.ti.com/product/TPS22965
[18] Fortune Semiconductor. (n.d.). DW01A – One-cell Li-ion/polymer battery protection IC. Datasheet. Source: https://www.ic-fortune.com/upload/Download/DS-02-0001(7).pdf
[19] Texas Instruments. (2023/2024). TPS61378-Q1 family – 25-µA IQ synchronous boost converters (automotive variants, for comparison). Datasheet. Source: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61378-q1.pdf
[20] altE Store. (2016). How do I read solar panel specifications? Explanation of Voc/Vmp in “12 V” panels. Article. Source: https://www.altestore.com/blogs/articles/how-do-i-read-solar-panel-specifications