زیرسیستم تغذیه Solar + Battery برای یک گره IoT کشاورزی دورافتاده
1) هدف و بستر
یک گره مانیتورینگ دورافتاده فقط به‌اندازه زیرسیستم تغذیه‌اش قابل‌اعتماد است. این زیرسیستم تغذیه برای یک گره IoT با تغذیه خورشیدی و پشتیبان باتری طراحی شده که در پایش کشاورزی و سنسینگ از راه دور استفاده می‌شود. گره باید یک میکروکنترلر (MCU) و منطق ضروری را 24/7 از یک ریل پیوسته 3.3 V زنده نگه دارد، درحالی‌که ریل‌های کمکی سوئیچ‌شونده (12 V، 5 V، 3.3 V_AUX) سنسورها، رادیوها و عملگرها را فقط وقتی لازم است از طریق یک سیگنال مشترک EN_AUX تغذیه می‌کنند. طراحی باید محیط بیرونی خشن را تحمل کند (نوسان دما، رطوبت، کثیفی، ESD)، ولتاژهای پنل تا بازه بالای 20 V که در ماژول‌های PV «کلاس 12 V» معمول است را هندل کند و از پک باتری Li-ion در برابر سوءاستفاده (رویدادهای اور/آندرولتاژ و جریان) با دید دقیق به وضعیت شارژ محافظت کند.
در سطح بالا (به دیاگرام بلوکی ارائه‌شده نگاه کنید)، انرژی از یک کانکتور خورشیدی مقاوم Deutsch DT به محافظت جریان معکوس و یک شارژر خورشیدی MPPT می‌رود، بعد به یک پک باتری 18650 یک‌سلولی (سلول‌ها به‌موازات برای ظرفیت). در پایین‌دست پک، یک eFuse محافظ UVLO/OVLO و محدودیت جریان را اِعمال می‌کند. یک رگولاتور buck-boost 3.3 V همیشه‌روشن MCU را تغذیه می‌کند («3V3_CNT»). سه رگولاتور کمکی (step-up دوازده‌ولت، buck-boost پنج‌ولت، buck-boost 3.3ولت) با EN_AUX گیت می‌شوند تا مصرف بیکاری کمینه شود. یک IC fuel-gauge میزان شارژ (SoC) و ولتاژ را از طریق I²C به MCU گزارش می‌دهد.
تصمیمات طراحی در ادامه با گزینه‌های جایگزین و مصالحه‌ها توجیه شده‌اند. هر بخش با یک جدول مقایسه خلاصه تمام می‌شود. ارجاع‌های عددی درون‌متنی از شماره‌گذاری براکتی به سبک APA استفاده می‌کنند (مثلاً [4])؛ فهرست کامل مراجع در انتها می‌آید.
2) ورودی خورشیدی و front-end
2.1 پنل PV و کانکتور میدانی
چه استفاده کردیم و چرا. سیستم یک ماژول PV «کلاس 12 V» انتظار دارد (≈17–18 V در توان ماکزیمم، ≈21–22 V مدارباز، بسته به دما) که از طریق یک کانکتور مهروموم‌شده Deutsch سری DT دوپین وصل می‌شود. کانکتورهای DT به‌خاطر مهروموم‌های IP-rated، استحکام لچ و مقاومت در برابر لرزش در تجهیزات کشاورزی و off-highway به‌طور گسترده استفاده می‌شوند و مشکلات نفوذ آب و تماس متناوب رایج در جک‌های بشکه‌ای DC عمومی را در میدان کم می‌کنند [14]. Voc بالاتر پنل‌های «12 V» طبیعی است و حاشیه برای شارژ را تضمین می‌کند؛ این توسط شارژر MPPT پایین‌دست هندل می‌شود [20]. RS ComponentsAltE Store
گزینه‌های جایگزین بررسی‌شده. کانکتورهای دایره‌ای M8 (سنسورهای صنعتی)، و جک‌های بشکه‌ای مهروموم‌نشده. DT به‌خاطر مهروموم و قفل لمسی برنده شد؛ M8ها به‌همان‌خوبی مهروموم می‌شوند اما به bulkheadهای پنل‌ماونت نیاز دارند و گران‌ترند؛ جک‌های بشکه‌ای به‌خاطر حفاظت ضعیف در برابر نفوذ رد شدند.
| گزینه | IP/مهروموم | رتبه جریان | سرویس‌پذیری در میدان | هزینه معمول | یادداشت‌ها |
|---|---|---|---|---|---|
| Deutsch DT-2 (انتخاب‌شده) | IP67/68 با مهروموم | ~13 A به‌ازای کانتکت سایز 16 | کانتکت‌های کرمپ، لچ مثبت | $$ | اثبات‌شده در کشاورزی/off-road [14] |
| M8 A-coded | IP67/68 | 3–4 A معمول | رزوه‌ای؛ bulkhead پنل‌ماونت | $$$ | توانمند، اما BoM و هزینه مونتاژ بالاتر |
| جک بشکه‌ای DC | ضعیف | 1–5 A | آسان | $ | هوازده نیست—برای فضای باز نامناسب |
2.2 محافظت جریان معکوس و surge (سمت PV)
چه استفاده کردیم و چرا. یک eFuse ولتاژبالا با مسدودکردن قطبیت‌معکوس/جریان‌معکوس (خانواده TI TPS2660x) از سیستم در برابر اشتباه‌های سیم‌کشی محافظت می‌کند و جلوی تغذیه برگشتی باتری به یک پنل تاریک را می‌گیرد. در مقایسه با یک دیود Schottky، eFuse از تلفات هدایت بزرگ جلوگیری می‌کند، محدودیت جریان قابل‌تنظیم دارد و Voc/گذراهای بدترین‌حالت ≈30 V پنل‌های «12 V» را تحمل می‌کند [3]. Texas Instruments
گزینه‌های جایگزین بررسی‌شده.
| گزینه | تلفات هدایت | مسدودسازی معکوس | دقت/قابلیت‌ها | پیچیدگی | مناسب بودن |
|---|---|---|---|---|---|
| eFuse TPS2660x (انتخاب‌شده) | کم (MOSFET) | بله (OVP، RCP) | OVP/UVP/ILIM، تله‌متری (متغیر) | متوسط | کامل‌ترین حفاظت تا 60 V [3] |
| کنترلر ideal-diode (LTC4412، LM5050-1) | خیلی کم | بله | بدون محدودیت جریان؛ برای OVP قطعات اضافه لازم است | متوسط | کارآمد، اما کمتر جامع [8][9] |
| دیود Schottky | زیاد | تا حدی | هیچ | کم | ساده‌تر؛ تلفات توان غیرقابل‌قبول در >1–2 A |
منطق انتخاب: در یک گره دورافتاده، زنده‌ماندن بر صرفه‌جویی‌های کوچک BoM می‌چربد. eFuse رفتار درست را تحت سیم‌کشی اشتباه، hot-plug و brownoutهای پنل می‌دهد.
2.3 کنترلر شارژ خورشیدی MPPT
چه استفاده کردیم و چرا. TI bq24650—یک شارژر buck سنکرون با حلقه MPPT ولتاژثابت یکپارچه. جریان شارژ را کم می‌کند تا پنل نزدیک MPP برنامه‌ریزی‌شده‌اش کار کند و از بازه ورودی PV پهن پشتیبانی می‌کند، ایده‌آل برای ماژول‌های «کلاس 12 V» [4]. این قطعه پیش‌شارژ، پایان شارژ و وضعیت را هندل می‌کند؛ یک پک Li-ion یک‌سلولی را تا 4.2 V شارژ می‌کند (قابل‌تنظیم از طریق فیدبک). Texas InstrumentsFarnell
گزینه‌های جایگزین بررسی‌شده.
| IC | توپولوژی | بازه ورودی | روش MPPT | بیشینه I_CHG | یادداشت‌ها |
|---|---|---|---|---|---|
| bq24650 (انتخاب‌شده) | Buck، FETهای خارجی | 5–28 V (typ) | تنظیم ورودی ولتاژثابت | کلاس 5 A (وابسته به طراحی) | ردیابی PV خوش‌مستند [4] |
| ADI LT3652 | Buck مونولیتیک | 4.95–32 V | تنظیم ولتاژ ورودی (ردیابی توان پیک) | تا 2 A | انتخاب قوی برای طراحی‌های جمع‌وجور با جریان متوسط [12] |
| CN3791 | کنترلر Buck | 4.5–28 V | MPPT (مرجع 1.205 V) | تا 4 A | مقرون‌به‌صرفه؛ حفاظت‌های کمتر [13] |
| MCP73871 | خطی | 3.5–6 V | هیچ (مدیر power-path) | ~1 A | خوب برای USB/PV کوچک؛ راندمان ضعیف در Vin بالا [11] |
منطق انتخاب: bq24650 تعادل درست بازه ورودی، راندمان و رفتار MPPT مستند برای کلاس پنل ما را ارائه می‌دهد. اگر سیستم BoM حداقلی را بر جریان شارژ پیک ترجیح می‌داد، LT3652 یک جایگزین معتبر بود. Analog Devices
یادداشت درباره ماندگاری باتری. اگر چرخه‌کاری طولانی حیاتی است، ولتاژ شارژ می‌تواند کم شود (مثلاً 4.10 V) تا عمر چرخه به قیمت ظرفیت بیشتر شود؛ ادبیات صنعتی به‌طور پیوسته بهبودهای بزرگ عمر چرخه را هنگام شارژ زیر 4.2 V گزارش می‌کند [6]. ما اینجا 4.20 V را نگه می‌داریم تا ظرفیت کامل برای بارهای پیک‌بالا حفظ شود، با گزینه کاهش بعداً از طریق تقسیم‌کننده فیدبک. Battery University
3) ذخیره انرژی: پک باتری 18650 یک‌سلولی
چه استفاده کردیم و چرا. یک پک Li-ion یک‌سلولی (1S) ساخته‌شده از چند سلول 18650 به‌موازات برای افزایش ظرفیت و جریان پیک، درحالی‌که سیستم را در 3.0–4.2 V نگه می‌دارد. این مبدل‌های پایین‌دست را کارآمد نگه می‌دارد و یک IC شارژر تنها را ممکن می‌کند. استفاده از سلول‌های معتبر (مثل Samsung 30Q/35E) امپدانس و عمر چرخه یکنواخت تضمین می‌کند، که برای استارت‌های سرد و انفجارهای رادیویی مهم است. ظرفیت‌های معمول 3000–3500 mAh به‌ازای هر سلول است (انتخاب دقیق یک تصمیم BoM است). برای عمر طولانی در کاربردهای duty-cycled، از دشارژ عمیق اجتناب می‌کنیم (به UVLO در §3 نگاه کنید) و در صورت نیاز، می‌توانیم ولتاژ float پایین‌تری را طبق یادداشت بالا در پیش بگیریم [6].
گزینه‌های جایگزین بررسی‌شده. Li-ion دو سلولی (2S) (باس بالاتر بوست 12 V را ساده می‌کند اما تعداد قطعات را زیاد می‌کند)، یا LiFePO₄ یک‌سلولی (امن‌تر/عمر چرخه بالاتر اما چگالی انرژی کمتر، شارژر متفاوت). ما Li-ion یک‌سلولی را برای کمینه‌کردن تنوع IC و حفظ راندمان بالای مبدل در بارهای سبک انتخاب کردیم.
4) محافظت سمت باتری (eFuse + سوپروایزرها)
چه استفاده کردیم و چرا. یک eFuse سمت باتری (TI TPS25946) محدودیت جریان قابل‌تنظیم، UVLO و OVLO، کنترل inrush و کنترل جریان معکوس فراهم می‌کند. این قطعه پک را هنگام خطاها (اتصال کوتاه، اورولتاژ) به‌تمیزی از ریل‌های پایین‌دست جدا می‌کند، استرس را محدود می‌کند و از latch-upها هنگام hot-plug بارها جلوگیری می‌کند. یک سوپروایزر ولتاژ اختصاصی UVLO دقیق حدود 3.3 V (برای حفظ سلامت سلول) و OVLO حدود 4.1 V (اختیاری، اگر بخواهیم باس سیستم را حین تحویل شارژ محدود کنیم) فراهم می‌کند. FET یکپارچه و حلقه کنترل eFuse به‌طور معناداری قابل‌پیش‌بینی‌تر از فیوزهای پلیمری + MOSFETهای گسسته در الکترونیک کم‌توان است [7]. Texas Instruments
گزینه‌های جایگزین بررسی‌شده.
| گزینه | مزایا | معایب | مناسب بودن |
|---|---|---|---|
| eFuse TPS25946 (انتخاب‌شده) | ILIM/OVLO/UVLO، کنترل inrush، قابلیت‌های جریان معکوس | هزینه IC اضافه می‌کند؛ دقت در layout | حفاظت مقاوم و قابل‌تنظیم [7] |
| محافظ سطح پک (DW01A + MOSFETها) | هزینه خیلی کم، همه‌جا هست | آستانه‌های ثابت، بدون تله‌متری جریان یا ramp | برای پک‌های مصرفی خوب؛ کنترل سیستمی محدود [18] |
| «تکیه فقط بر محدودیت‌های شارژر» | BoM حداقلی | بدون حفاظت اتصال کوتاه پایین‌دست؛ پرریسک در میدان | قابل‌قبول نیست |
5) ریل‌های سیستم، enableها و power-gating
یک ریل 3.3 V همیشه‌روشن تنها، MCU و fuel gauge را تغذیه می‌کند. ریل‌های کمکی (12 V، 5 V، 3.3 V_AUX) به‌طور پیش‌فرض غیرفعال هستند و فقط وقتی تسک‌ها به آن‌ها نیاز دارند فعال می‌شوند. این استراتژی power-gating مصرف بیکاری را با حذف هم جریان ساکن رگولاتور و هم نشتی سنسور وقتی استفاده نمی‌شوند کم می‌کند. جایی که بارها ظرفیت ورودی بزرگ دارند (مثل رادیوها، سلونوئیدها)، توالی enable به eFuse و soft-startهای رگولاتور اجازه می‌دهد inrush را رام کنند. اگر کنترل inrush به‌ویژه تهاجمی به‌ازای هر بار لازم باشد، یک load switch کوچک (مثل TPS22965) در نقطه بار ریل می‌تواند کنترل slew-rate اضافی با IQ میکروآمپری اضافه کند [17]. Texas Instruments
5.1 ریل 3.3 V همیشه‌روشن (ریل MCU): buck-boost سنکرون (TPS63020)
چه استفاده کردیم و چرا. TPS63020 ولتاژ 3.3 V را در کل بازه باتری (≈3.0–4.2 V) حفظ می‌کند و بی‌درز بین buck و boost گذار می‌کند. حالت duty-cycle صددرصدی آن تلفات سوئیچینگ و ریپل را وقتی Vin فقط کمی بالای Vout است (رایج در 3.5–3.8 V) کمینه می‌کند، که برای یک ریل MCU ساکت ایده‌آل است. راندمان بار-سبک خوبی بدون مشکلات dropout که یک buck-only نزدیک 3.3 V داشت ارائه می‌دهد [1]. Texas Instruments
جایگزین‌های کلیدی (و اینکه کِی ممکن است ببرند).
| گزینه | راندمان در 3.0–4.2 V | IQ (typ.) | EMI/نویز | یادداشت‌ها |
|---|---|---|---|---|
| Buck-boost TPS63020 (انتخاب‌شده) | بالا و تخت (buck↔boost) | کم | خوب؛ duty صددرصد در buck | تنظیم پیوسته در هر SoC [1] |
| LDO (مثل TPS7A02) | با بالارفتن Vin افت می‌کند؛ بدترین در 4.2 V | فوق‌کم | عالی | انتخاب قوی اگر بار فوق‌کم و نویز حیاتی باشد؛ اما >20٪ در 4.2→3.3 V از دست می‌دهد [15] |
| Buck-only (TPS62130) | بالا اگر Vin≫Vout | کم | خوب | با نزدیک‌شدن Vin به 3.3 V از کار می‌افتد (dropout) [11] |
چرا buck-boost را انتخاب کردیم: به 3.3 V تضمین‌شده در هر SoC با راندمان خوب و ریپل کم برای MCU و دستگاه‌های I²C نیاز داریم.
5.2 ریل کمکی 5 V: buck-boost سنکرون (TPS63020)
این ریل وقتی EN_AUX فعال است پریفرال‌های 5 V را تغذیه می‌کند. توپولوژی و IC عمداً همان §4.1 هستند تا تنوع BoM کم شود و دانش layout بازاستفاده شود. اینجا مبدل منحصراً در ناحیه boost کار می‌کند (چون 3.0–4.2 V → 5 V). یک مبدل boost-only (مثل TPS61023) جایگزین معتدلی است و می‌تواند کمی ارزان‌تر با IQ خیلی کم باشد، اما بازاستفاده از TPS63020 ارزیابی و مدل‌سازی حرارتی را ساده کرد [10]. نیازی به تکرار بحث الکترومغناطیسی/جبران‌سازی که قبلاً در §4.1 پوشش داده شد نیست. Texas Instruments
تفاوت‌های هدفمند نسبت به §4.1:
• بارهای انفجاری سنگین‌تر انتظار می‌رود (سنسورهای کلاس USB، front-endهای آنالوگ)، پس سلف و خازن‌های خروجی را متناسب سایز می‌کنیم.
• چون ریل بیشتر وقت خاموش است، IQ خاموشی آن غلبه دارد—جریان غیرفعال‌شدن TPS63020 برای بودجه ما به‌قدر کافی کم است [1].
مقایسه متمرکز برای 5 V:
| گزینه | Vout | یادداشت‌ها |
|---|---|---|
| TPS63020 (انتخاب‌شده) | 5 V | بازاستفاده؛ هندلینگ گذرای قوی [1] |
| TPS61023 | 5 V | boost-only ساده‌تر؛ IQ بار-سبک عالی [10] |
5.3 ریل کمکی 12 V: boost سنکرون (TPS61377)
چه استفاده کردیم و چرا. TPS61377 ولتاژ 12 V (و بالاتر) را از باس 1S با توان جریان پیک سوئیچ 6 A و IQ حدود ~70 µA تحویل می‌دهد؛ برای سلونوئیدها، شیرها و ابزار دقیقی که فقط گاه‌به‌گاه به 12 V نیاز دارند مناسب است. از PFM/PWM قابل‌انتخاب برای راندمان بار-سبک پشتیبانی می‌کند و حفاظت‌های OVP/OCP دارد. در طراحی ما، enable آن به EN_AUX بسته شده [2]. Texas InstrumentsMouser Electronics
گزینه‌های جایگزین بررسی‌شده.
| گزینه | توپولوژی | مزایا | معایب | مناسب بودن |
|---|---|---|---|---|
| TPS61377 (انتخاب‌شده) | Boost | توان خروجی بالا، IQ کم، جمع‌وجور | به layout دقیق نیاز دارد | انتخاب متوازن برای ریل‌های 12–24 V [2] |
| کنترلر SEPIC (LT3757 / LM3478) | SEPIC/Boost | Vin–Vout خیلی پهن، می‌تواند step-up/down کند | FETهای خارجی؛ BoM بزرگ‌تر | اینجا بیش از حد؛ با ورودی پهن می‌درخشد [16] |
| ماژول Buck-boost | یکپارچه | سریع پیاده‌سازی می‌شود | هزینه/اندازه | فقط برای prototypeها معتبر |
6) Fuel gauging و تله‌متری
چه استفاده کردیم و چرا. fuel gauge مدل MAX17043 با الگوریتم ModelGauge سازنده. وضعیت شارژ و ولتاژ سلول را از طریق I²C بدون مقاومت سنس گزارش می‌دهد، تلفات را کمینه می‌کند و layout را ساده می‌کند. quick-start و آستانه‌های هشدارش پیاده‌سازی رفتارهای مقاوم کم‌باتری روی MCU را آسان می‌کند [5]. Analog Devices
گزینه‌های جایگزین بررسی‌شده.
| IC | مقاومت سنس | الگوریتم | یادداشت‌ها |
|---|---|---|---|
| MAX17043 (انتخاب‌شده) | نه | SoC مبتنی بر مدل | یکپارچه‌سازی ساده، سربار کم [5] |
| bq27441 | بله | Impedance-track CC | دقت بالا در کهنگی؛ setup بیشتر [ادبیات شخص ثالث، معمول] |
| MAX17048 | نه | ModelGauge m3 | خانواده جدیدتر؛ use case مشابه |
چرا MAX17043 را انتخاب کردیم: به مانیتورینگ دقیق با حداقل سربار BoM/firmware و بدون تلفات shunt نیاز داشتیم—ایده‌آل برای یک گره با محدودیت انرژی.
7) نکات یکپارچه‌سازی سیستم
- دامنه‌بندی توان EN_AUX. MCU ریل 3V3_CNT را همیشه روشن نگه می‌دارد. وقتی تسک‌ها به پریفرال‌ها نیاز دارند، EN_AUX را فعال می‌کند. سه رگولاتور کمکی EN_AUX را مشترک می‌شوند، اما enableهای پلکانی زمانی می‌توانند در firmware اضافه شوند اگر رویدادهای inrush باس را brown کنند. load switchها (TPS22965) می‌توانند به بارهای جداگانه‌ای که هنوز به کنترل slew-rate نیاز دارند اضافه شوند [17]. Texas Instruments
- زمین و layout. برگشت PV، زمین توان شارژر و رگولاتورهای سوئیچینگ را روی یک صفحه زمین کم‌امپدانس نگه دارید. برگشت eFuse/باتری را به آن صفحه ستاره‌ای کنید تا از خطاهای سنس در شبکه شارژر/محدودیت جریان جلوگیری شود.
- رفتار Brown-in/out. UVLO در eFuse سمت باتری از دشارژ عمیق جلوگیری می‌کند؛ شارژر MPPT وقتی PV برگردد شارژ را از سر می‌گیرد. این هماهنگی از حلقه‌های «شارژ-حین-brown-out» جلوگیری می‌کند.
- نقاط تنظیم شارژ. هدف پیش‌فرض 4.20 V؛ پروفایل اختیاری 4.10 V برای افزایش عمر طبق §1.3 اگر یک بازبینی آینده firmware/BoM ظرفیت را با عمر چرخه معاوضه کند [6].
- انتظارات ولتاژ PV. پنل‌های «کلاس 12 V» با مدارباز ≈22 V طبیعی‌اند؛ تنظیم ورودی شارژر (MPPT) دقیقاً برای همین رژیم طراحی شده [4][20]. Texas InstrumentsAltE Store
8) ارزیابی ریسک و کاهش‌ها
- تغذیه معکوس و سیم‌کشی اشتباه: eFuse (سمت PV و سمت باتری) با مسدودسازی جریان معکوس و OVP/UVP ریسک خرابی میدانی را در مقایسه با دیودها/polyswitchهای تنها به‌شکل چشمگیری کم می‌کند [3][7]. Texas Instruments+1
- استرس باتری: UVLO حدود 3.3 V و هماهنگی حرارتی/OVLO از سلامت سلول محافظت می‌کنند. از سلول‌های مچ‌شده استفاده کنید، امپدانس پک را کم نگه دارید و تایمرهای شارژر را به‌درستی پیکربندی کنید.
- EMI/نویز روی ریل MCU: حالت duty-cycle صددرصدی TPS63020 و انتخاب درست LC ریپل را در ناحیه buck کم نگه می‌دارد؛ سلف و خازن‌های ورودی/خروجی را طبق راهنمای layout دیتاشیت بگذارید [1]. Texas Instruments
- بارهای انفجاری کمکی: برای سلونوئیدها/شیرهای تغذیه‌شده با 12 V، در صورت سلفی‌بودن TVS محلی و مسیرهای flyback بگذارید؛ برای مهار خطا به OCP مبدل boost و محدودیت جریان eFuse سمت باتری تکیه کنید [2][7]. Texas Instruments+1
9) خلاصه‌های کامپوننت‌به‌کامپوننت با جایگزین‌ها
در ادامه، هر بلوک فقط جزئیات افزایشی را فهرست می‌کند اگر از مفاهیم قبلاً پوشش‌داده‌شده بازاستفاده می‌کند. این از تکرار جلوگیری می‌کند و روی تفاوت‌هایی تمرکز دارد که مهم‌اند.
9.1 پنل خورشیدی + کانکتور
- انتخاب: ماژول «12 V» کلاس 25 W، کانکتور Deutsch DT-2.
- چرا: مقاوم، مهروموم‌شده، سرویس‌پذیر در میدان؛ حاشیه Voc پنل مورد انتظار است و توسط شارژر هندل می‌شود [14][20]. RS ComponentsAltE Store
9.2 محافظت جریان معکوس (ورودی PV)
- انتخاب: TPS2660x eFuse تا 60 V.
- چرا: حفاظت جامع (OVP/UVP/ILIM) و تلفات کم؛ بهتر از دیود یا ideal-diode پایه برای یک گره میدانی [3][8][9]. Texas InstrumentsFarnelldeutschconnectorstore.com
9.3 شارژر MPPT
- انتخاب: bq24650، MPPT از نوع CV؛ Li-ion یک‌سلولی در 4.20 V.
- جایگزین‌ها: LT3652 (مونولیتیک 2 A)، CN3791 (مقرون‌به‌صرفه).
- چرا: بازه ورودی و مستندات قوی برای PV باعث می‌شود bq24650 انتخابی انعطاف‌پذیر برای پنل‌های «کلاس 12 V» باشد [4][12][13]. Texas InstrumentsAnalog Deviceslaskakit.cz
9.4 پک باتری
- انتخاب: 18650 با آرایش 1S-nP (مقیاس ظرفیت با n).
- چرا: چگالی انرژی بالا، ریل شارژر تنها؛ اکوسیستم رایج.
- یادداشت: شارژ اختیاری 4.10 V برای ماندگاری طبق §1.3 [6]. Battery University
9.5 محافظت باتری
- انتخاب: TPS25946 eFuse + سوپروایزر برای UVLO/OVLO.
- جایگزین‌ها: محافظ‌های کلاس DW01A (سطح پک)، یا «بدون حفاظت اضافی».
- چرا: رفتار سیستم‌سطح قابل‌تنظیم و قابل‌پیش‌بینی بر آستانه‌های ثابت می‌چربد [7][18]. Texas Instruments+1
9.6 ریل 3.3 V همیشه‌روشن (MCU)
- انتخاب: TPS63020 buck-boost.
- جایگزین‌ها: TPS7A02 LDO (نویز-بحرانی، IQ فوق‌کم)؛ TPS62130 buck (نزدیک ورودی 3.3 V امن نیست).
- چرا: تنظیم تضمین‌شده در کل SoC با راندمان خوب [1][15][11]. Texas Instruments+2Texas Instruments+2
9.7 کمکی 5 V
- انتخاب: TPS63020 buck-boost (بازاستفاده).
- جایگزین: TPS61023 (boost-only) اگر کاهش BoM بر بازاستفاده بچربد [10]. Texas Instruments
9.8 کمکی 12 V
- انتخاب: TPS61377 boost.
- جایگزین: LT3757/LM3478 SEPIC برای ورودی خیلی پهن یا خروجی‌های بالاتر [16]. Texas InstrumentsOctopart
9.9 Fuel gauge
- انتخاب: MAX17043.
- جایگزین‌ها: bq27441، MAX17048.
- چرا: بدون shunt، سربار کم، یکپارچه‌سازی ساده I²C [5]. Analog Devices
10) چک‌لیست راستی‌آزمایی
- سمت PV
• با پنل متصل و باتری غایب، تأیید کنید eFuse هدایت رو به جلو را اجازه می‌دهد و bq24650 ورودی را نزدیک MPP زیر بار تنظیم می‌کند.
• در تاریکی، راستی‌آزمایی کنید که هیچ جریان معکوسی به پنل نیست (فقط نشتی در سطح mA). - پارامترهای شارژ
• جریان‌های پیش‌شارژ، شارژ سریع و پایان CV را طبق نقاط تنظیم طراحی اندازه بگیرید.
• تأیید کنید ترمیستور (در صورت استفاده) شارژ را در شرایط سرد/گرم محدود می‌کند (مجموعه قابلیت bq24650). - محافظت باتری
• باس را از 2.8 V→3.6 V جارو کنید و تریپ UVLO حدود 3.3 V را تأیید کنید؛ رفتار OVLO را حین گذراهای تحویل شارژ راستی‌آزمایی کنید.
• ریل 5 V/12 V را در لبه برد با یک منبع محدودجریان در بالادست اتصال کوتاه کنید؛ محدودیت جریان eFuse و رفتار retry خودکار را تأیید کنید. - ریل‌ها و enableها
• با EN_AUX پایین، جریان خواب را اندازه بگیرید (هدف: غلبه MCU + IQ رگولاتور 3V3_CNT).
• EN_AUX را حین لاگ‌کردن جریان باتری toggle کنید؛ مطمئن شوید inrush در حدود می‌ماند و ریل MCU افت نمی‌کند. - Fuel gauge
• آستانه‌های هشدار را کالیبره کنید؛ تأیید کنید SoC توالی‌های شارژ/دشارژ را در دماهای مختلف به‌شکل معقول دنبال می‌کند.
11) نتیجه‌گیری
این معماری عملکرد بیرونی مقاوم را با کنترل توان ریزدانه به دست می‌آورد. مرحله MPPT با bq24650 برداشت انرژی از پنل‌های «کلاس 12 V» را بیشینه می‌کند؛ یک پک Li-ion یک‌سلولی مرحله‌های تبدیل را ساده می‌کند و راندمان را حفظ می‌کند؛ یک استراتژی حفاظت eFuse-محور گره را در برابر خطاهای سیم‌کشی و بار مقاوم می‌کند؛ و ریل‌های گیت‌شده با EN_AUX تضمین می‌کنند بارهای کمکی عمر standby را فرسایش نمی‌دهند. قطعات انتخاب‌شده تعادل عملی بین راندمان، هزینه و تاب‌آوری می‌زنند، و هر بلوک جایگزین‌های روشنی دارد اگر نیازمندی‌های آینده تغییر کند.
مراجع
[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