Subsistema de Energia Solar + Bateria para um Nó IoT Agrícola Remoto

1) Finalidade e contexto

Um nó de monitorização remota é tão fiável quanto o seu subsistema de energia. Este subsistema de energia foi concebido para um nó IoT alimentado a energia solar com bateria de reserva, usado em monitorização agrícola e sensorização remota. O nó deve manter um microcontrolador (MCU) e a lógica essencial vivos 24/7 a partir de um rail contínuo de 3,3 V, enquanto rails auxiliares comutáveis (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) alimentam sensores, rádios e atuadores apenas quando necessário, através de um sinal comum EN_AUX. O design deve tolerar um ambiente exterior agressivo (variações de temperatura, humidade, sujidade, ESD), lidar com tensões de painel até à faixa dos 20 e poucos volts típica de módulos PV de “12 V-classe”, e proteger o pack de bateria Li-ion contra abuso (eventos de sobre/subtensão e de corrente) com visibilidade detalhada do estado de carga.

Em alto nível (veja o diagrama de blocos fornecido), a energia flui de um conector solar robusto Deutsch DT para a proteção contra corrente reversa e um carregador solar MPPT, depois para um pack de bateria 18650 de 1 célula (células em paralelo para capacidade). A jusante do pack, um eFuse de proteção impõe UVLO/OVLO e limitação de corrente. Um regulador buck-boost de 3,3 V sempre ligado alimenta o MCU (“3V3_CNT”). Três reguladores auxiliares (step-up de 12 V, buck-boost de 5 V, buck-boost de 3,3 V) são comandados por EN_AUX para minimizar o consumo em repouso. Um IC fuel-gauge reporta SoC e tensão ao MCU via I²C.

As decisões de design são justificadas abaixo com alternativas e trade-offs. Cada secção termina com uma tabela de comparação concisa. As citações numéricas inline usam numeração entre parênteses retos no estilo APA (por exemplo, [4]); a lista completa de referências aparece no fim.

2) Entrada solar e front-end

2.1 Painel PV e conector de campo

O que usámos e porquê. O sistema espera um módulo PV de “classe 12 V” (≈17–18 V no ponto de máxima potência, ≈21–22 V em circuito aberto, dependendo da temperatura) ligado através de um conector vedado Deutsch DT-série de 2 pinos. Os conectores DT são amplamente usados em equipamento agrícola e off-highway pelas suas vedações com classificação IP, robustez do trinco e resistência à vibração, reduzindo os problemas de entrada de água e de contacto intermitente comuns com jacks DC barrel genéricos no campo [14]. O Voc mais alto dos painéis de “12 V” é normal e garante margem para o carregamento; isto é tratado pelo carregador MPPT a jusante [20]. RS ComponentsAltE Store

Alternativas consideradas. Conectores circulares M8 (sensores industriais) e jacks barrel não vedados. O DT venceu pela vedação e pelo travamento tátil; os M8 vedam de forma comparável, mas exigem bulkheads de montagem em painel e custam mais; os jacks barrel foram rejeitados pela fraca proteção contra a entrada de elementos.

2.2 Proteção contra corrente reversa e surtos (lado PV)

O que usámos e porquê. Um eFuse de alta tensão com bloqueio de polaridade reversa/corrente reversa (família TI TPS2660x) protege o sistema contra erros de cablagem e impede a bateria de alimentar retroativamente um painel escuro. Comparado com um díodo Schottky, o eFuse evita grandes perdas de condução, suporta limite de corrente ajustável e tolera os transientes de ≈30 V de pior caso de Voc de painéis de “12 V” [3]. Texas Instruments

Alternativas consideradas.

Justificação: Num nó remoto, a sobrevivência vale mais do que pequenas poupanças de BoM. O eFuse dá o comportamento correto sob cablagem errada, hot-plug e brownouts do painel.

2.3 Controlador de carga solar MPPT

O que usámos e porquê. TI bq24650 — um carregador buck síncrono com loop MPPT de tensão constante integrado. Reduz a corrente de carga para que o painel opere perto do seu MPP programado e suporta uma ampla gama de entrada PV, ideal para módulos de “classe 12 V” [4]. O dispositivo trata de pré-carga, terminação e estado; carrega um pack Li-ion de 1 célula até 4,2 V (ajustável via feedback). Texas InstrumentsFarnell

Alternativas consideradas.

Justificação: O bq24650 oferece o equilíbrio certo de gama de entrada, eficiência e comportamento MPPT documentado para a nossa classe de painel. Se o sistema priorizasse o BoM mínimo sobre a corrente de carga de pico, o LT3652 seria uma alternativa credível. Analog Devices

Nota sobre longevidade da bateria. Se a vida útil em ciclos for prioritária, a tensão de carga pode ser reduzida (por ex., 4,10 V) para prolongar a vida em ciclos à custa de capacidade; a literatura da indústria reporta consistentemente grandes ganhos de vida em ciclos ao carregar abaixo de 4,2 V [6]. Mantemos 4,20 V aqui para preservar a capacidade total para cargas de pico elevadas, com a opção de reduzir mais tarde através do divisor de feedback. Battery University

3) Armazenamento de energia: pack de bateria 18650 de 1 célula

O que usámos e porquê. Um pack Li-ion 1S (célula única) construído com múltiplas células 18650 em paralelo para aumentar a capacidade e a corrente de pico, mantendo o sistema em 3,0–4,2 V. Isto mantém os conversores a jusante eficientes e permite um único IC de carregador. Usar células reputadas (por ex., Samsung 30Q/35E) garante impedância consistente e vida em ciclos, importante para arranques a frio e rajadas de rádio. As capacidades típicas são 3000–3500 mAh por célula (a escolha exata é uma decisão de BoM). Para longa vida em aplicações com duty-cycle, evitamos a descarga profunda (ver UVLO em §3) e, se necessário, podemos adotar uma tensão de flutuação mais baixa conforme a nota acima [6].

Alternativas consideradas. Li-ion 2S (um bus mais alto simplifica o boost de 12 V, mas aumenta a contagem de peças), ou LiFePO₄ 1S (mais seguro/maior vida em ciclos, mas menor densidade energética, carregador diferente). Escolhemos Li-ion 1S para minimizar a diversidade de ICs e manter alta eficiência dos conversores em cargas leves.

4) Proteção do lado da bateria (eFuse + supervisores)

O que usámos e porquê. Um eFuse do lado da bateria (TI TPS25946) fornece limitação de corrente ajustável, UVLO e OVLO, controlo de inrush e controlo de corrente reversa. Este dispositivo desliga limpamente o pack dos rails a jusante em falhas (curtos, sobretensão), limitando o stress e prevenindo latch-ups quando cargas fazem hot-plug. Um supervisor de tensão dedicado fornece UVLO preciso em torno de 3,3 V (para preservar a saúde da célula) e OVLO em torno de 4,1 V (usado opcionalmente se escolhermos limitar o bus do sistema durante a transição de carga). O FET integrado e o loop de controlo do eFuse são significativamente mais previsíveis do que fusíveis de polímero + MOSFETs discretos em eletrónica de baixa potência [7]. Texas Instruments

Alternativas consideradas.

5) Rails do sistema, enables e power-gating

Um único rail 3,3 V sempre ligado alimenta o MCU e o fuel gauge. Os rails auxiliares (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) estão desativados por defeito e só são ativados quando as tarefas o exigem. Esta estratégia de power-gating corta o consumo em repouso ao remover tanto a corrente quiescente dos reguladores como as fugas dos sensores quando não estão em uso. Onde as cargas têm grande capacitância de entrada (por ex., rádios, solenoides), a sequência de ativação permite que os soft-starts do eFuse e dos reguladores domem o inrush. Se for necessário um controlo de inrush particularmente agressivo por carga, um pequeno load switch (por ex., TPS22965) no ponto de carga do rail pode adicionar controlo extra de slew-rate com IQ de microamperes [17]. Texas Instruments

5.1 3,3 V sempre ligado (rail do MCU): buck-boost síncrono (TPS63020)

O que usámos e porquê. O TPS63020 mantém 3,3 V em todo o intervalo da bateria (≈3,0–4,2 V), transitando suavemente entre buck e boost. O seu modo de duty-cycle 100% minimiza perdas de comutação e ripple quando Vin está apenas ligeiramente acima de Vout (comum em 3,5–3,8 V), o que é ideal para um rail de MCU silencioso. Oferece boa eficiência em carga leve sem os problemas de dropout que um buck-only teria perto de 3,3 V [1]. Texas Instruments

Alternativas-chave (e quando poderiam vencer).

Porque escolhemos buck-boost: Precisamos de 3,3 V garantidos em qualquer SoC, com boa eficiência e baixo ripple para o MCU e os dispositivos I²C.

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

Este rail alimenta periféricos de 5 V quando EN_AUX é ativado. A topologia e o IC são intencionalmente os mesmos da §4.1, para reduzir a diversidade de BoM e reutilizar know-how de layout. Aqui o conversor opera exclusivamente em região boost (já que 3,0–4,2 V → 5 V). Um conversor boost-only (por ex., TPS61023) é uma alternativa válida e pode ser ligeiramente mais barato com IQ muito baixo, mas reutilizar o TPS63020 simplificou a qualificação e a modelação térmica [10]. Não é preciso repetir a discussão eletromagnética/de compensação já coberta na §4.1. Texas Instruments

Diferenças pontuais vs §4.1:
• Esperam-se cargas de rajada mais pesadas (sensores de classe USB, front-ends analógicos), por isso dimensionamos o indutor e os condensadores de saída em conformidade.
• Como o rail está desligado a maior parte do tempo, o seu IQ em shutdown domina — a corrente de desativação do TPS63020 é suficientemente baixa para o nosso orçamento [1].

Comparação focada para 5 V:

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

O que usámos e porquê. O TPS61377 entrega 12 V (e mais) a partir do bus 1S com capacidade de corrente de pico de switch de 6 A e ~70 µA de IQ; é bem adequado a solenoides, válvulas e instrumentação que só precisam de 12 V intermitentemente. Suporta PFM/PWM selecionável para eficiência em carga leve, e tem proteções OVP/OCP. No nosso design, o seu enable está ligado a EN_AUX [2]. Texas InstrumentsMouser Electronics

Alternativas consideradas.

6) Fuel gauging e telemetria

O que usámos e porquê. Fuel gauge MAX17043 com o algoritmo ModelGauge do fabricante. Reporta estado de carga e tensão da célula via I²C sem resistor de sense, minimizando perdas e simplificando o layout. Os seus limiares de quick-start e de alerta facilitam a implementação de comportamentos robustos de bateria fraca no MCU [5]. Analog Devices

Alternativas consideradas.

Porque escolhemos o MAX17043: Precisávamos de monitorização detalhada com overhead mínimo de BoM/firmware e sem perdas de shunt — ideal para um nó com energia limitada.

7) Notas de integração de sistema

1. Domínios de energia com EN_AUX. O MCU mantém o 3V3_CNT sempre ligado. Quando as tarefas exigem periféricos, ativa EN_AUX. Os três reguladores auxiliares partilham EN_AUX, mas enables escalonados no tempo podem ser adicionados em firmware se eventos de inrush derrubarem o bus. Load-switches (TPS22965) podem ser adicionados em cargas individuais que ainda precisem de controlo de slew-rate [17]. Texas Instruments
2. Grounding e layout. Mantenha o retorno do PV, a massa de potência do carregador e os reguladores comutados num plano de massa de baixa impedância. Ligue em estrela o retorno do eFuse/bateria a esse plano para evitar erros de sense na rede do carregador/limite de corrente.
3. Comportamento brown-in/out. O UVLO do eFuse do lado da bateria previne a descarga profunda; o carregador MPPT reinicia a carga quando o PV recupera. Esta coordenação evita ciclos de “carregar-durante-brown-out”.
4. Set-points de carga. Alvo por defeito de 4,20 V; perfil opcional de 4,10 V para extensão de vida conforme §1.3, se uma futura revisão de firmware/BoM trocar capacidade por vida em ciclos [6].
5. Expectativas de tensão PV. Painéis de “classe 12 V” a medir ≈22 V em circuito aberto são normais; a regulação de entrada do carregador (MPPT) foi desenhada exatamente para esse regime [4][20]. Texas InstrumentsAltE Store

8) Avaliação de riscos e mitigações

• Alimentação reversa e cablagem errada: eFuse (lado PV e lado bateria) com bloqueio de corrente reversa e OVP/UVP reduz drasticamente o risco de falha no campo comparado com díodos/polyswitches sozinhos [3][7]. Texas Instruments+1
• Stress da bateria: UVLO em torno de 3,3 V e coordenação térmica/OVLO protegem a saúde da célula. Use células emparelhadas, mantenha a impedância do pack baixa e configure os timers do carregador adequadamente.
• EMI/ruído no rail do MCU: O modo de duty-cycle 100% do TPS63020 e uma seleção LC adequada mantêm o ripple baixo na região buck; coloque o indutor e os condensadores de entrada/saída conforme as orientações de layout do datasheet [1]. Texas Instruments
• Cargas de rajada auxiliares: Para solenoides/válvulas alimentados por 12 V, inclua TVS local e caminhos de flyback se forem indutivos; confie no OCP do conversor boost e no limite de corrente do eFuse do lado da bateria para a contenção de falhas [2][7]. Texas Instruments+1

9) Resumos componente a componente com alternativas

Abaixo, cada bloco lista apenas detalhes incrementais se reutilizar conceitos já cobertos. Isto evita repetição e foca-se nas diferenças que importam.

9.1 Painel solar + conector

• Escolhido: Módulo de “12 V” classe 25 W, conector Deutsch DT‑2.
• Porquê: Robusto, vedado, reparável em campo; a margem de Voc do painel é esperada e tratada pelo carregador [14][20]. RS ComponentsAltE Store

9.2 Proteção contra corrente reversa (entrada PV)

• Escolhido: eFuse TPS2660x até 60 V.
• Porquê: Proteção abrangente (OVP/UVP/ILIM) e baixa perda; melhor do que díodo ou díodo-ideal básico para um nó em campo [3][8][9]. Texas InstrumentsFarnelldeutschconnectorstore.com

9.3 Carregador MPPT

• Escolhido: bq24650, MPPT tipo CV; Li-ion 1S a 4,20 V.
• Alternativas: LT3652 (monolítico 2 A), CN3791 (económico).
• Porquê: A gama de entrada e a documentação forte para PV fazem do bq24650 uma escolha flexível para painéis de “classe 12 V” [4][12][13]. Texas InstrumentsAnalog Deviceslaskakit.cz

9.4 Pack de bateria

• Escolhido: 1S‑nP 18650 (escala de capacidade por n).
• Porquê: Alta densidade energética, rail de carregador único; ecossistema comum.
• Nota: Carga opcional a 4,10 V para longevidade conforme §1.3 [6]. Battery University

9.5 Proteção da bateria

• Escolhido: eFuse TPS25946 + supervisor para UVLO/OVLO.
• Alternativas: Protetores classe DW01A (nível de pack), ou “sem proteção extra”.
• Porquê: O comportamento ajustável e previsível ao nível do sistema vence os limiares fixos [7][18]. Texas Instruments+1

9.6 3,3 V sempre ligado (MCU)

• Escolhido: TPS63020 buck-boost.
• Alternativas: LDO TPS7A02 (ruído crítico, IQ ultra-baixo); buck TPS62130 (não seguro perto de 3,3 V de entrada).
• Porquê: Regulação garantida em todo o SoC com boa eficiência [1][15][11]. Texas Instruments+2Texas Instruments+2

9.7 Auxiliar de 5 V

• Escolhido: TPS63020 buck-boost (reutilização).
• Alternativa: TPS61023 (boost-only) se a redução de BoM superar a reutilização [10]. Texas Instruments

9.8 Auxiliar de 12 V

• Escolhido: TPS61377 boost.
• Alternativa: LT3757/LM3478 SEPIC para entrada muito ampla ou saídas mais altas [16]. Texas InstrumentsOctopart

9.9 Fuel gauge

• Escolhido: MAX17043.
• Alternativas: bq27441, MAX17048.
• Porquê: Sem shunt, baixo overhead, integração I²C simples [5]. Analog Devices

10) Checklist de verificação

1. Lado PV
   • Com o painel ligado e a bateria ausente, confirme que o eFuse permite condução direta e que o bq24650 regula a entrada perto do MPP sob carga.
   • Na escuridão, verifique que não há corrente reversa para o painel (apenas fuga ao nível de mA).
2. Parâmetros de carga
   • Meça as correntes de pré-carga, carga rápida e terminação CV conforme os set-points do design.
   • Confirme que o termístor (se usado) limita a carga em condições de frio/calor (conjunto de funcionalidades do bq24650).
3. Proteção da bateria
   • Varra o bus de 2,8 V→3,6 V e confirme o disparo do UVLO em torno de 3,3 V; verifique o comportamento do OVLO durante os transientes de transição de carga.
   • Curto-circuite o rail de 5 V/12 V na extremidade da placa com uma fonte de corrente limitada a montante; confirme o limite de corrente do eFuse e o comportamento de auto-retry.
4. Rails e enables
   • Com EN_AUX baixo, meça a corrente de sleep (objetivo: dominada pelo MCU + IQ do regulador 3V3_CNT).
   • Alterne EN_AUX enquanto regista a corrente da bateria; garanta que o inrush fica dentro dos limites e que o rail do MCU não cai.
5. Fuel gauge
   • Calibre os limiares de alerta; confirme que o SoC acompanha as sequências de carga/descarga de forma sensata ao longo da temperatura.

11) Conclusão

Esta arquitetura alcança operação exterior robusta com controlo de energia granular. O estágio MPPT bq24650 maximiza a captação de energia de painéis de “classe 12 V”; um pack Li-ion 1S simplifica os estágios de conversão e mantém a eficiência; uma estratégia de proteção centrada em eFuse blinda o nó contra falhas de cablagem e de carga; e os rails comandados por EN_AUX garantem que as cargas auxiliares não erodem a vida em standby. As peças selecionadas atingem um equilíbrio prático entre eficiência, custo e resiliência, e cada bloco tem alternativas claras caso os requisitos futuros mudem.

Referências

[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