Sottosistema di alimentazione solare + batteria per un nodo IoT agricolo remoto

1) Scopo e contesto

Un nodo di monitoraggio remoto è affidabile quanto il suo sottosistema di alimentazione. Questo sottosistema di alimentazione è progettato per un nodo IoT alimentato a energia solare con batteria di backup, usato nel monitoraggio agricolo e nel remote sensing. Il nodo deve mantenere in vita un microcontrollore (MCU) e la logica essenziale 24/7 da una rail continua a 3,3 V, mentre rail ausiliarie commutabili (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) alimentano sensori, radio e attuatori solo quando necessario tramite un comune segnale EN_AUX. Il design deve tollerare un ambiente esterno difficile (escursioni termiche, umidità, sporco, ESD), gestire tensioni di pannello fino alla fascia alta dei 20 V tipica dei moduli FV di “classe 12 V”, e proteggere il pacco batteria Li-ion dagli abusi (eventi di sovra/sotto-tensione e di corrente) con visibilità dettagliata dello stato di carica.

Ad alto livello (vedere il block diagram fornito), l’energia fluisce da un robusto connettore solare Deutsch DT nella protezione da corrente inversa e in un caricatore solare MPPT, poi in un pacco batteria a 1 cella 18650 (celle in parallelo per la capacità). A valle del pacco, un eFuse di protezione impone UVLO/OVLO e limitazione di corrente. Un regolatore buck-boost 3,3 V sempre attivo alimenta l’MCU (“3V3_CNT”). Tre regolatori ausiliari (step-up 12 V, buck-boost 5 V, buck-boost 3,3 V) sono controllati da EN_AUX per minimizzare l’assorbimento a riposo. Un fuel-gauge IC riporta SoC e tensione all’MCU via I²C.

Le decisioni di design sono giustificate di seguito con alternative e compromessi. Ogni sezione termina con una tabella comparativa sintetica. Le citazioni numeriche inline usano la numerazione tra parentesi in stile APA (per esempio [4]); l’elenco completo dei riferimenti appare alla fine.

2) Ingresso solare e front-end

2.1 Pannello FV e connettore da campo

Cosa abbiamo usato e perché. Il sistema si aspetta un modulo FV di “classe 12 V” (≈17–18 V al massimo punto di potenza, ≈21–22 V a circuito aperto, a seconda della temperatura) collegato tramite un connettore sigillato Deutsch DT-series a 2 pin. I connettori DT sono ampiamente usati nelle apparecchiature agricole e off-highway per le loro guarnizioni con grado IP, la robustezza del bloccaggio e la resistenza alle vibrazioni, riducendo i problemi di ingresso d’acqua e di contatto intermittente comuni con i generici jack DC cilindrici sul campo [14]. Il Voc più alto dei pannelli “12 V” è normale e assicura margine per la ricarica; è gestito dal caricatore MPPT a valle [20]. RS ComponentsAltE Store

Alternative considerate. Connettori circolari M8 (sensori industriali) e jack cilindrici non sigillati. Il DT ha vinto per sigillatura e bloccaggio tattile; gli M8 sigillano in modo paragonabile ma richiedono bulkhead da pannello e costano di più; i jack cilindrici sono stati scartati per la scarsa protezione dall’ingresso.

2.2 Protezione da corrente inversa e sovratensioni (lato FV)

Cosa abbiamo usato e perché. Un eFuse ad alta tensione con blocco di polarità inversa/corrente inversa (famiglia TI TPS2660x) protegge il sistema dagli errori di cablaggio e impedisce alla batteria di retroalimentare un pannello al buio. Rispetto a un diodo Schottky, l’eFuse evita grandi perdite di conduzione, supporta la limitazione di corrente regolabile e tollera il caso peggiore di ≈30 V di Voc/transienti dai pannelli “12 V” [3]. Texas Instruments

Alternative considerate.

Motivazione: In un nodo remoto, la sopravvivenza batte i piccoli risparmi di BoM. L’eFuse dà il comportamento corretto in caso di cablaggio errato, hot-plug e brownout del pannello.

2.3 Controller di carica solare MPPT

Cosa abbiamo usato e perché. TI bq24650 — un caricatore buck sincrono con anello MPPT a tensione costante integrato. Riduce la corrente di carica così che il pannello operi vicino al suo MPP programmato e supporta un ampio intervallo di ingresso FV, ideale per i moduli di “classe 12 V” [4]. Il dispositivo gestisce pre-carica, terminazione e stato; carica un pacco Li-ion a 1 cella fino a 4,2 V (regolabile via feedback). Texas InstrumentsFarnell

Alternative considerate.

Motivazione: Il bq24650 offre il giusto equilibrio di intervallo di ingresso, efficienza e comportamento MPPT documentato per la nostra classe di pannello. Se il sistema privilegiasse la BoM minima rispetto alla corrente di carica di picco, l’LT3652 sarebbe un’alternativa credibile. Analog Devices

Nota sulla longevità della batteria. Se i cicli di vita sono prioritari, la tensione di carica può essere ridotta (per esempio 4,10 V) per estendere la vita in cicli a costo della capacità; la letteratura di settore riporta coerentemente grandi guadagni di vita in cicli caricando sotto i 4,2 V [6]. Manteniamo 4,20 V qui per preservare la piena capacità per i carichi di picco elevati, con l’opzione di ridurla in seguito tramite il partitore di feedback. Battery University

3) Accumulo di energia: pacco batteria 18650 a 1 cella

Cosa abbiamo usato e perché. Un pacco Li-ion 1S (singola cella) costruito con più celle 18650 in parallelo per aumentare capacità e corrente di picco mantenendo il sistema a 3,0–4,2 V. Questo mantiene efficienti i convertitori a valle e permette un singolo caricatore IC. Usare celle affidabili (per esempio Samsung 30Q/35E) assicura impedenza e vita in cicli consistenti, importante per gli avvii a freddo e le raffiche della radio. Le capacità tipiche sono 3000–3500 mAh per cella (la scelta esatta è una decisione di BoM). Per lunga vita in applicazioni a cicli di lavoro, evitiamo la scarica profonda (vedere UVLO in §3) e, se necessario, possiamo adottare una tensione di float più bassa come da nota sopra [6].

Alternative considerate. Li-ion 2S (un bus più alto semplifica il boost a 12 V ma aumenta il numero di componenti), o LiFePO₄ 1S (più sicura/maggiore vita in cicli ma minore densità energetica, caricatore diverso). Abbiamo scelto Li-ion 1S per minimizzare la diversità di IC e mantenere alta l’efficienza dei convertitori ai carichi leggeri.

4) Protezione lato batteria (eFuse + supervisor)

Cosa abbiamo usato e perché. Un eFuse lato batteria (TI TPS25946) fornisce limitazione di corrente regolabile, UVLO e OVLO, controllo dell’inrush e controllo della corrente inversa. Questo dispositivo disconnette in modo pulito il pacco dalle rail a valle in caso di guasti (cortocircuiti, sovratensioni), limitando lo stress e prevenendo latch-up quando i carichi vengono collegati a caldo. Un voltage supervisor dedicato fornisce un UVLO preciso intorno a 3,3 V (per preservare la salute della cella) e un OVLO intorno a 4,1 V (opzionalmente usato se scegliamo di limitare il bus di sistema durante il passaggio di carica). Il FET integrato e l’anello di controllo dell’eFuse sono significativamente più prevedibili di fusibili polimerici + MOSFET discreti nell’elettronica a bassa potenza [7]. Texas Instruments

Alternative considerate.

5) Rail di sistema, enable e power-gating

Una singola rail 3,3 V sempre attiva alimenta MCU e fuel gauge. Le rail ausiliarie (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) sono disabilitate di default e abilitate solo quando i task le richiedono. Questa strategia di power-gating riduce l’assorbimento a riposo eliminando sia la corrente quiescente dei regolatori sia le perdite dei sensori quando non in uso. Dove i carichi hanno grande capacità di ingresso (per esempio radio, solenoidi), la sequenza di abilitazione permette ai soft-start di eFuse e regolatore di domare l’inrush. Se è richiesto un controllo dell’inrush particolarmente aggressivo per carico, un piccolo load switch (per esempio TPS22965) al point-of-load della rail può aggiungere ulteriore controllo dello slew-rate con IQ di microampere [17]. Texas Instruments

5.1 3,3 V sempre attiva (rail MCU): buck-boost sincrono (TPS63020)

Cosa abbiamo usato e perché. Il TPS63020 mantiene 3,3 V sull’intero intervallo della batteria (≈3,0–4,2 V), passando senza soluzione di continuità tra buck e boost. La sua modalità a duty-cycle 100% minimizza le perdite di commutazione e il ripple quando Vin è solo leggermente sopra Vout (comune a 3,5–3,8 V), il che è ideale per una rail MCU silenziosa. Offre una solida efficienza ai carichi leggeri senza i problemi di dropout che un buck-only avrebbe vicino a 3,3 V [1]. Texas Instruments

Alternative chiave (e quando potrebbero vincere).

Perché abbiamo scelto il buck-boost: Ci serve 3,3 V garantita a qualsiasi SoC con buona efficienza e basso ripple per l’MCU e i dispositivi I²C.

5.2 Rail ausiliaria 5 V: buck-boost sincrono (TPS63020)

Questa rail alimenta le periferiche a 5 V quando EN_AUX è asserito. La topologia e l’IC sono intenzionalmente gli stessi del §4.1 per ridurre la diversità della BoM e riusare il know-how di layout. Qui il convertitore opera esclusivamente in regione boost (dato che 3,0–4,2 V → 5 V). Un convertitore boost-only (per esempio TPS61023) è un’alternativa valida e può essere leggermente più economico con IQ molto bassa, ma riusare il TPS63020 ha semplificato la qualifica e la modellazione termica [10]. Non c’è bisogno di ripetere la discussione su elettromagnetica/compensazione già coperta nel §4.1. Texas Instruments

Differenze mirate rispetto al §4.1:
• Si prevedono carichi a raffica più pesanti (sensori di classe USB, front-end analogici), quindi dimensioniamo induttore e condensatori di uscita di conseguenza.
• Poiché la rail è spenta la maggior parte del tempo, la sua IQ in shutdown domina — la corrente di disable del TPS63020 è sufficientemente bassa per il nostro budget [1].

Confronto mirato per i 5 V:

5.3 Rail ausiliaria 12 V: boost sincrono (TPS61377)

Cosa abbiamo usato e perché. Il TPS61377 fornisce 12 V (e oltre) dal bus 1S con capacità di corrente di picco dello switch di 6 A e ~70 µA di IQ; è adatto a solenoidi, valvole e strumentazione che hanno bisogno di 12 V solo intermittentemente. Supporta PFM/PWM selezionabile per l’efficienza ai carichi leggeri e ha protezioni OVP/OCP. Nel nostro design, il suo enable è legato a EN_AUX [2]. Texas InstrumentsMouser Electronics

Alternative considerate.

6) Fuel gauging e telemetria

Cosa abbiamo usato e perché. Fuel gauge MAX17043 con l’algoritmo ModelGauge del vendor. Riporta stato di carica e tensione della cella via I²C senza resistore di sense, minimizzando le perdite e semplificando il layout. Le sue soglie di quick-start e alert rendono facile implementare comportamenti robusti di batteria scarica sull’MCU [5]. Analog Devices

Alternative considerate.

Perché abbiamo scelto il MAX17043: Ci serviva monitoraggio dettagliato con overhead minimo di BoM/firmware e nessuna perdita da shunt — ideale per un nodo a energia vincolata.

7) Note di integrazione di sistema

1. Power domaining con EN_AUX. L’MCU mantiene 3V3_CNT sempre attiva. Quando i task richiedono periferiche, asserisce EN_AUX. I tre regolatori ausiliari condividono EN_AUX, ma enable sfalsati nel tempo possono essere aggiunti nel firmware se gli eventi di inrush abbassano il bus. Load switch (TPS22965) possono essere aggiunti ai singoli carichi che necessitano ancora controllo dello slew-rate [17]. Texas Instruments
2. Messa a terra e layout. Mantenete il ritorno del FV, la massa di potenza del caricatore e i regolatori switching su un piano di massa a bassa impedenza. Collegate a stella il ritorno di eFuse/batteria in quel piano per evitare errori di sense nella rete del caricatore/limite di corrente.
3. Comportamento brown-in/out. L’UVLO dell’eFuse lato batteria previene la scarica profonda; il caricatore MPPT riavvia la carica quando il FV si riprende. Questo coordinamento evita loop di “carica durante il brown-out”.
4. Set-point di carica. Obiettivo predefinito 4,20 V; profilo opzionale 4,10 V per l’estensione della vita come da §1.3 se una futura revisione firmware/BoM scambia capacità con vita in cicli [6].
5. Aspettative sulla tensione FV. Pannelli di “classe 12 V” che misurano ≈22 V a circuito aperto sono normali; la regolazione di ingresso del caricatore (MPPT) è progettata esattamente per quel regime [4][20]. Texas InstrumentsAltE Store

8) Valutazione dei rischi e mitigazioni

• Retroalimentazione ed errori di cablaggio: eFuse (lato FV e lato batteria) con blocco della corrente inversa e OVP/UVP riduce drasticamente il rischio di guasti sul campo rispetto a soli diodi/polyswitch [3][7]. Texas Instruments+1
• Stress della batteria: UVLO intorno a 3,3 V e coordinamento termico/OVLO proteggono la salute della cella. Usate celle abbinate, mantenete bassa l’impedenza del pacco e configurate appropriatamente i timer del caricatore.
• EMI/rumore sulla rail MCU: La modalità a duty-cycle 100% del TPS63020 e la corretta selezione LC mantengono basso il ripple in regione buck; posizionate l’induttore e i condensatori di ingresso/uscita secondo le linee guida di layout del datasheet [1]. Texas Instruments
• Carichi a raffica ausiliari: Per solenoidi/valvole alimentati a 12 V, includete TVS locali e percorsi di flyback se induttivi; affidatevi all’OCP del convertitore boost e al limite di corrente dell’eFuse lato batteria per il contenimento dei guasti [2][7]. Texas Instruments+1

9) Riepiloghi componente per componente con alternative

Di seguito, ogni blocco elenca solo dettagli incrementali se riusa concetti già coperti. Questo evita ripetizioni e si concentra sulle differenze che contano.

9.1 Pannello solare + connettore

• Scelto: Modulo “12 V” di classe 25 W, connettore Deutsch DT-2.
• Perché: Robusto, sigillato, manutenibile sul campo; il margine di Voc del pannello è previsto e gestito dal caricatore [14][20]. RS ComponentsAltE Store

9.2 Protezione da corrente inversa (ingresso FV)

• Scelto: TPS2660x eFuse fino a 60 V.
• Perché: Protezione completa (OVP/UVP/ILIM) e bassa perdita; meglio di un diodo o di un ideal-diode basilare per un nodo sul campo [3][8][9]. Texas InstrumentsFarnelldeutschconnectorstore.com

9.3 Caricatore MPPT

• Scelto: bq24650, MPPT di tipo CV; Li-ion 1S a 4,20 V.
• Alternative: LT3652 (monolitico 2 A), CN3791 (conveniente).
• Perché: L’intervallo di ingresso e la forte documentazione per il FV rendono il bq24650 una scelta flessibile per i pannelli di “classe 12 V” [4][12][13]. Texas InstrumentsAnalog Deviceslaskakit.cz

9.4 Pacco batteria

• Scelto: 1S-nP 18650 (scaling della capacità con n).
• Perché: Alta densità energetica, singola rail del caricatore; ecosistema comune.
• Nota: Carica opzionale a 4,10 V per la longevità come da §1.3 [6]. Battery University

9.5 Protezione batteria

• Scelto: TPS25946 eFuse + supervisor per UVLO/OVLO.
• Alternative: Protettori di classe DW01A (a livello pacco), o “nessuna protezione extra.”
• Perché: Un comportamento a livello di sistema regolabile e prevedibile batte le soglie fisse [7][18]. Texas Instruments+1

9.6 3,3 V sempre attiva (MCU)

• Scelto: TPS63020 buck-boost.
• Alternative: TPS7A02 LDO (critico per il rumore, IQ ultra-bassa); TPS62130 buck (non sicuro vicino a 3,3 V di ingresso).
• Perché: Regolazione garantita sull’intero SoC con buona efficienza [1][15][11]. Texas Instruments+2Texas Instruments+2

9.7 Ausiliaria 5 V

• Scelto: TPS63020 buck-boost (riuso).
• Alternativa: TPS61023 (boost-only) se la riduzione della BoM supera il riuso [10]. Texas Instruments

9.8 Ausiliaria 12 V

• Scelto: TPS61377 boost.
• Alternativa: LT3757/LM3478 SEPIC per ingresso molto ampio o uscite più alte [16]. Texas InstrumentsOctopart

9.9 Fuel gauge

• Scelto: MAX17043.
• Alternative: bq27441, MAX17048.
• Perché: Nessuno shunt, overhead basso, integrazione I²C semplice [5]. Analog Devices

10) Checklist di verifica

1. Lato FV
   • Col pannello collegato e la batteria assente, confermate che l’eFuse permetta la conduzione diretta e che il bq24650 regoli l’ingresso vicino all’MPP sotto carico.
   • Al buio, verificate nessuna corrente inversa verso il pannello (solo perdite a livello di mA).
2. Parametri di carica
   • Misurate le correnti di pre-carica, carica rapida e terminazione CV secondo i set-point del design.
   • Confermate che il termistore (se usato) limiti la carica in condizioni di freddo/caldo (set di funzionalità del bq24650).
3. Protezione batteria
   • Spazzolate il bus da 2,8 V→3,6 V e confermate lo scatto dell’UVLO intorno a 3,3 V; verificate il comportamento dell’OVLO durante i transienti di passaggio di carica.
   • Cortocircuitate la rail 5 V/12 V al bordo della scheda con un alimentatore a corrente limitata a monte; confermate il limite di corrente dell’eFuse e il comportamento di auto-retry.
4. Rail ed enable
   • Con EN_AUX basso, misurate la corrente di sleep (obiettivo: dominata da MCU + IQ del regolatore 3V3_CNT).
   • Commutate EN_AUX registrando la corrente della batteria; assicuratevi che l’inrush resti entro i limiti e che la rail MCU non si abbassi.
5. Fuel gauge
   • Calibrate le soglie di alert; confermate che lo SoC tracci in modo sensato le sequenze di carica/scarica attraverso la temperatura.

11) Conclusione

Questa architettura raggiunge un funzionamento outdoor robusto con un controllo dell’alimentazione a grana fine. Lo stadio MPPT bq24650 massimizza la raccolta di energia dai pannelli di “classe 12 V”; un pacco Li-ion 1S semplifica gli stadi di conversione e mantiene l’efficienza; una strategia di protezione centrata sull’eFuse irrobustisce il nodo contro errori di cablaggio e guasti dei carichi; e le rail controllate da EN_AUX assicurano che i carichi ausiliari non erodano la vita in standby. I componenti selezionati trovano un equilibrio pratico tra efficienza, costo e resilienza, e ogni blocco ha alternative chiare qualora i requisiti futuri cambiassero.

Riferimenti

[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