Эффективное питание GSM модуля в спящем режиме(меньше 1мА). Опции

[spooki]

Здравствуйте,

Задача стоит следующим образом:
Обеспечить эффективное питание GSM модуля от аккумуляторов в спящем режиме.

Реперные точки задачи:
- В cпящем режиме работы GSM модуль потребляет в среднем 1-1.5 мА и требует импульсный ток до 2А длительностью около 500-600 мкс.
- Эффективная система питания должна потреблять меньше 500мкА при питании модуля в спящем режиме!! .
- Питание напрямую от аккумулятора не рассматривается т.к. в широком диапазоне температур и нагрузок на аккумулятор нельзя обеспечить необходимое напряжение для GSM модуля.
- Напряжение аккумуляторов 4-6В.

Варианты.
1) Линейный стабилизатор со сверхнизким потреблением в режиме малых токов нагрузки.
Например LT1529. Но цена!
Еще варианты есть?

2) Линейный стабилизатор малой мощности 0.5А-1А.
-low drop
-возможность работы с большими емкостями на выходе (2000-4000 мкф) для обеспечения тока GSM модуля.

Тут проблемы. Почти все low drop это p-канал (или pnp). Почти нигде не указана возможность работы с такими емкостями и стабильность при этом.
Редко описан режим работы при превышении номинального тока. Но тут вроде не должно быть проблем, главное чтобы никакой защиты на отключение не было а ограничение нас не беспокоит.


3) Импульсный понижающий (step-down, buck) стабилизатор.
-TPS54233
Но характеристики при сверхмалых токах не даны. Надо проверять.
-TPS62140 и аналогичные от TI
Вроде как заточен. Не до конца ясно с минимальным падением напряжения но должен потянуть.
Смущает частота. Как бы эта хрень вообще заработала на плате с разными беспроводными интерфейсами.
-MAX1626-MAX1627
Вроде все нормально, но не дано примеров полного потребления с вы


4) Импульсный понижающий (step-down, buck) стабилизатор с выходным током до 1А и та же история с конденсаторами на выходе.
Пока не много копал по этому вопросу.

Есть проверенные варианты?

Всем спасибо.

Сообщение отредактировал spooki - Feb 12 2016, 11:33

[ArtemKAD]

Питание напрямую от аккумулятора не рассматривается т.к. в широком диапазоне температур и нагрузок на аккумулятор нельзя обеспечить необходимое напряжение для GSM модуля.

Что значит "нельзя"? Какой тип аккумулятора и при каких условиях какие проблемы с напряжением?

[spooki]

Что значит "нельзя"? Какой тип аккумулятора и при каких условиях какие проблемы с напряжением?

Не хочется трогать этот вопрос а то название темы менять придется.


Тестов в интернете много. Пример
Тест Liion
Тест Liion2
Графики

Тест NiMh Eneloop (Лучше вы врятли предложите, я думаю).
Тест NiMh
Графики



Итого в режиме работы с током разряда хотя бы ампер и температуре -20 +30 и работой хотябы с 40-50% емкости мы имеем
1 х liion 3 - 4.4В
3 х АА NiMh eneloop 3 - 4.05
4 х АА NiMh eneloop 4 - 5,4 В

GSM M95 кушает 3.3 - 4.6 В. Не забываем про недопустимость пересечения 3.3 В и при хорошем питании все же небольшое проседание напряжений при работе модуля.
В итоге принимаем, что для надежного питания надо минимум 3.6 В.

Алес. Все это работает для телефона в теплом кармане и не более!
Популярный пример тут Low temperature cell phone

Сообщение отредактировал spooki - Feb 12 2016, 12:13

[twix]

- В cпящем режиме работы GSM модуль потребляет в среднем 1-1.5 мА и требует импульсный ток до 2А длительностью около 500-600 мкс.
- Эффективная система питания должна потреблять меньше 500мкА при питании модуля в спящем режиме!! .
- Питание напрямую от аккумулятора не рассматривается т.к. в широком диапазоне температур и нагрузок на аккумулятор нельзя обеспечить необходимое напряжение для GSM модуля.
- Напряжение аккумуляторов 4-6В.

Вы можете использовать внешний микропроцессор со сверхнизким потреблением в спящем режиме и поставить ключ на питание модема.
Тогда модем вообще не будет потреблять и все потребление будет определяться утечками ключа, потреблением LDO микропроцессора и собственно потреблением микропроцессора.
В 250мка реально выйти без труда. А после ключа организуете любое недорогое решение без оглядки на потребление.

Сообщение отредактировал twix - Feb 12 2016, 11:43

[spooki]

Есть там и CPU и все остальное. Не в этом дело.

Модем должен работать постоянно, для возможности принятия СМС в любой момент.
Полное отключение не допустимо.
Так бы была стандартная халява.

В этом суть режимов SLEEP GSM модемов - не терять связь с сетью и быть на связе.

П.С.
Подключение модема к сети после включения питания жрет столько, что если посчитать его выгоднее оставить включенным даже если будить раз в час!!! (Это для примера, для задачи час - очень много).

Сообщение отредактировал spooki - Feb 12 2016, 11:52

[vadimp61]

Здравствуйте,

Задача стоит следующим образом:
Обеспечить эффективное питание GSM модуля от аккумуляторов в спящем режиме.

Реперные точки задачи:
- В cпящем режиме работы GSM модуль потребляет в среднем 1-1.5 мА и требует импульсный ток до 2А длительностью около 500-600 мкс.
- Эффективная система питания должна потреблять меньше 500мкА при питании модуля в спящем режиме!! .
- Питание напрямую от аккумулятора не рассматривается т.к. в широком диапазоне температур и нагрузок на аккумулятор нельзя обеспечить необходимое напряжение для GSM модуля.
- Напряжение аккумуляторов 4-6В.

Варианты.
1) Линейный стабилизатор со сверхнизким потреблением в режиме малых токов нагрузки.
Например LT1529. Но цена!
Еще варианты есть?


2) Линейный стабилизатор малой мощности 0.5А-1А.
-low drop
-возможность работы с большими емкостями на выходе (2000-4000 мкф) для обеспечения тока GSM модуля.

Тут проблемы. Почти все low drop это p-канал (или pnp). Почти нигде не указана возможность работы с такими емкостями и стабильность при этом.
Редко описан режим работы при превышении номинального тока. Но тут вроде не должно быть проблем, главное чтобы никакой защиты на отключение не было а ограничение нас не беспокоит.


3) Импульсный понижающий (step-down, buck) стабилизатор.
-TPS54233
Но характеристики при сверхмалых токах не даны. Надо проверять.
-TPS62140 и аналогичные от TI
Вроде как заточен. Не до конца ясно с минимальным падением напряжения но должен потянуть.
Смущает частота. Как бы эта хрень вообще заработала на плате с разными беспроводными интерфейсами.


-MAX1626-MAX1627
Вроде все нормально, но не дано примеров полного потребления с вы


4) Импульсный понижающий (step-down, buck) стабилизатор с выходным током до 1А и та же история с конденсаторами на выходе.
Пока не много копал по этому вопросу.

Есть проверенные варианты?

Всем спасибо.

1.NCP57302
NCP58300
должно быть дешевле чем LT

Реально работал с NCP551, Iq получился 3,6 мка , но там 150мА всего

3.Был опыт TLV62130 - радиомодуль на 433Мгц стал тупым настолько что в 20 м уже ничего не принимал
решилось переходом на LD1085V

[CADiLO]

Там не просто стабилизатор с супермалым собственным потреблением нужен.
Нужно чтобы он успевал отреагировать на броски потребления - Load Time Responce должно быть на уровне микросекунд.
А то вместо питания модуль просто отключится не получив нужного тока.
LDO в этом плане не лучший выбор, стоит смотреть в сторону синхронников PWM.

[spooki]

Нужно чтобы он успевал отреагировать на броски потребления - Load Time Responce должно быть на уровне микросекунд

Не обязательно. Даже с такими токами есть куча LDO отрабатывающие до 100кГц. А на эти фронтовые микросекунды хватит 10мкф керамики и 100мкф тантала на выход за глаза.
Во многих даташитах есть графики реакции на скачки тока нагрузки, они воодушевляют.
Даже LM117 стр 10
LM117
легко справляется с выходным кондером 10мкф

vadimp61

NCP57302

Классная штука.

Эх еще бы привели ток в режиме молчания. Ignd=1мА при Iload=10мА. Интересно что там при Iload=1мА?
Надо конечно мерить

Сообщение отредактировал spooki - Feb 12 2016, 13:05

[ArtemKAD]

GSM M95 кушает 3.3 - 4.6 В. Не забываем про недопустимость пересечения 3.3 В и при хорошем питании все же небольшое проседание напряжений при работе модуля.
В итоге принимаем, что для надежного питания надо минимум 3.6 В.

Ну если проблема с пересечением ниже 3.6В, то как можно рассматривать вариант любого понижающего(включая импульсные понижающие) или LDO стабилизатора? Если на батарее может стать меньше требуемого, то после стабилизатора будет принципиально еще меньше. Кроме того, Liion АКБ крайне не терпят(вплоть до выхода из строя) заряд при отрицательных температурах. Вы уверены, что Вас это устроит?

[spooki]

Ну если проблема с пересечением ниже 3.6В, то как можно рассматривать вариант любого понижающего или LDO стабилизатора?

Вообщем, и не рассматривается вариант такого питания.
Читайте первый пост напряжение питания 4-6В. Это 4 NiMh аккума. Ну или 2 Li-ion 6-8.4В. Но это не важно суть темы не меняется - питание GSM не напрямую от батареи.

Кроме того, Liion АКБ крайне не терпят(вплоть до выхода из строя) заряд при отрицательных температурах. Вы уверены, что Вас это устроит?

Уверен.

Сообщение отредактировал spooki - Feb 12 2016, 15:27

[ArtemKAD]

Читайте первый пост напряжение питания 4-6В. Это 4 NiMh аккума. Ну или 2 Li-ion 6-8.4В.

При таком подходе использование любого линейного стабилизатора теряет смысл т.к. один АКБ практически полностью будет уходить на нагрев стабилизатора не добавляя общей ёмкости. Отсюда - только малопотребляющий понижающий импульсный с высоким КПД. Обычно это синхронники. C учетом требования собственного потребления ниже 1мА, это скорее всего импульсник от TI. Заходишь к ним на сайт и отбираешь по потреблению, максимальному току и максимальному входному напряжению. Там получается перечень примерно из полутора десятков наименований из которых выбираешь то, что сможешь найти. К примеру для твоего первого варианта 4-6В входных - tps62085 или TPS62090.

[spooki]

Ну если взять средие 5В(1NiMn. 1.2в 90% своего заряда при Т=25 на морозе или под нагрузкой и того меньше) и стабилизировать до 3.8 то с КПД все нормально, не меньше чем у dcdc.
А если 2 Liion то тут вами предложенных мало. И слава богу. Вон человек писал в этой же ветке что у него 433 Мгц интерфейс заткнулся с таким преобразователем. Еще бы 3 МГц 1А рядом фигачит. Ну его! Экранировать наверняка придется.

[vadimp61]

Ну если взять средие 5В(1NiMn. 1.2в 90% своего заряда при Т=25 на морозе или под нагрузкой и того меньше) и стабилизировать до 3.8 то с КПД все нормально, не меньше чем у dcdc.
А если 2 Liion то тут вами предложенных мало. И слава богу. Вон человек писал в этой же ветке что у него 433 Мгц интерфейс заткнулся с таким преобразователем. Еще бы 3 МГц 1А рядом фигачит. Ну его! Экранировать наверняка придется.

Даже не 1А, а GSM в в режиме прием 10мин - звонок на номер 3с отбой - прием 10 мин. Я не мерил сколько в режиме приема, но не 1 А точно. Питание 220, а вот импульсник EPS-15-12 радиоканалу не мешает! Там наверное 200-300кгц.
Да еще был опыт на SP7656 на 600кгц, тот не мешал на 433 Мгц точно.

[ArtemKAD]

Ну если взять средие 5В(1NiMn. 1.2в 90% своего заряда при Т=25 на морозе или под нагрузкой и того меньше) и стабилизировать до 3.8 то с КПД все нормально, не меньше чем у dcdc.

"Средние" - очень спорная величина. Обычно при таких средних для химических источников большая часть ёмкости уже израсходована. Но даже при этом "среднем" КПД 76%(четверть - в утиль) при том что у DC/DC КПД больше 95%.

А если 2 Liion то тут вами предложенных мало.

Сходи на сайт TI - там вариантов больше.

И слава богу. Вон человек писал в этой же ветке что у него 433 Мгц интерфейс заткнулся с таким преобразователем. Еще бы 3 МГц 1А рядом фигачит. Ну его! Экранировать наверняка придется.

1) Почти наверняка у него был сверхрегенеративный приемник который действительно требует повышенного внимания к внеполосным помехам.
2) А вот не факт, что 3МГц будет больше мешать чем 100кГц. Просто в силу того, что к примеру на промежуточной частоте 10,7МГц принципиально есть (хоть и задавленная) гармоника от 100кГц и принципиально нет ни одной гармоники от 3МГц. Не говоря уже о комбинаторных частотах влезающих в промежуточную полосу в 200кГц. Касаемо экранирования - внимательно читай рекомендации по разводке и выбору компонентов и будет тебе счастье даже без экрана.

[vadimp61]

"Средние" - очень спорная величина. Обычно при таких средних для химических источников большая часть ёмкости уже израсходована. Но даже при этом "среднем" КПД 76%(четверть - в утиль) при том что у DC/DC КПД больше 95%.


Сходи на сайт TI - там вариантов больше.


1) Почти наверняка у него был сверхрегенеративный приемник который действительно требует повышенного внимания к внеполосным помехам.
2) А вот не факт, что 3МГц будет больше мешать чем 100кГц. Просто в силу того, что к примеру на промежуточной частоте 10,7МГц принципиально есть (хоть и задавленная) гармоника от 100кГц и принципиально нет ни одной гармоники от 3МГц. Не говоря уже о комбинаторных частотах влезающих в промежуточную полосу в 200кГц. Касаемо экранирования - внимательно читай рекомендации по разводке и выбору компонентов и будет тебе счастье даже без экрана.

1. Приемник СС1101 от TI.
2. Разводка по рекомендациям Johanson на их балун. Со стабилизатором LD1085 работает идеально прием -116дбм на скорости 600 бод.

[spooki]

"Средние" - очень спорная величина. Обычно при таких средних для химических источников большая часть ёмкости уже израсходована. Но даже при этом "среднем" КПД 76%(четверть - в утиль) при том что у DC/DC КПД больше 95%.

Если подобно рассмотреть характеристики этих DCDC то КПД при токе меньше 10мА не более 80%. Это если еще достичь удастся.

Есть ли опыт применения подобных с практическим результатом тока потребления при ХХ?

________________________________________________________________________________
Пока мы не коснулись темы LDO с большими выходными емкостями.

В некоторых даташитах написано что при импульсной нагрузке можно ставить и они стабильный при любых емкостях.
Например
tps796
Но насколько они действительно терпят 2000-4000 мкф по выходу при рекомендуемых 10?
Можно конечно моделировать до посинения. Но может кто делал?

Сообщение отредактировал spooki - Feb 13 2016, 14:30

[ArtemKAD]

Приемник СС1101 от TI

О, то-же подарочек по внеполосному блокированию входа.

Пока мы не коснулись темы LDO с большими выходными емкостями.

В некоторых даташитах написано что при импульсной нагрузке можно ставить и они стабильный при любых емкостях.
Например
tps796
Но насколько они действительно терпят 2000-4000 мкф по выходу при рекомендуемых 10?
Можно конечно моделировать до посинения. Но может кто делал?

А че там касаться - забей. Ставь большой на входе и минимально допустимый на выходе. Всё равно на входе он эффективнее используется т.к. там допустимая пульсация больше.

[vadimp61]

О, то-же подарочек по внеполосному блокированию входа.



А че там касаться - забей. Ставь большой на входе и минимально допустимый на выходе. Всё равно на входе он эффективнее используется т.к. там допустимая пульсация больше.

К сожалению бюджет по цене пе позволил ставить ПАВ фильтр на входе. И лишние 3-4 дБ потерь в нем мне ни к чему.
И у меня нет ограничения по питанию- ставь любой стабилизатор, лишь бы не шумел.

[ArtemKAD]

И лишние 3-4 дБ потерь в нем мне ни к чему.

Есть с малым затуханием в полосе - к примеру EPCOS B3740 c типовыми 0,8дБ(3дБ максимум).

[spooki]

Что-то какой Micrel LDO не смотрю везде одна и таже строка.
Minimum Load Current
The XXX regulator is specified between finite loads. If
the output current is too small, leakage currents dominate
and the output voltage rises. A 10mA minimum load current
is necessary for proper regulation.

И что они там выделываются с графиками минимального тока потребления не понятно.


У TI

Низкопотребляющих LDO с верхним входных напряжением >7В не нашел((( (4 батарейки LiFeS2 могут легко превысить 7В при малых токах, это при условии замены аккумуляторов на батарекйи).

Тоска - печаль.

[vadimp61]

Что-то какой Micrel LDO не смотрю везде одна и таже строка.
Minimum Load Current
The XXX regulator is specified between finite loads. If
the output current is too small, leakage currents dominate
and the output voltage rises. A 10mA minimum load current
is necessary for proper regulation.

И что они там выделываются с графиками минимального тока потребления не понятно.


У TI

Низкопотребляющих LDO с верхним входных напряжением >7В не нашел((( (4 батарейки LiFeS2 могут легко превысить 7В при малых токах, это при условии замены аккумуляторов на батарекйи).

Тоска - печаль.

В а сторону зарядок не смотрели, например
MAX8903

[spooki]

В а сторону зарядок не смотрели, например
MAX8903

Ну тут и дешевле и проще взять TPS62140.

[Alechek]

Отсюда - только малопотребляющий понижающий импульсный с высоким КПД. Обычно это синхронники. C учетом требования собственного потребления ниже 1мА, это скорее всего импульсник от TI.

Вот не знаю... Как синхронник может потреблять меньше асинхроника? Неужто полевик закроется раньше диода?

Модуль 1 (асинхронный преобразователь на MP1584EN):

5В->4В - ток ХХ 350 мкА,
7В->4В - ток ХХ 200 мкА.

Модуль 2 (синхронный преобразователь на MP2307EN) :

5В->3.3В - ток ХХ 5 мА,
7В->3.3В - ток ХХ 7.5 мА.

[ArtemKAD]

Вот не знаю... Как синхронник может потреблять меньше асинхроника? Неужто полевик закроется раньше диода?

Потребление ХХ почти не зависит от типа т.к. основные потребители - усилители и опорник. У синхронника из-за меньшего напряжения на ключе выше КПД. Малое потребление это скорее особенность фирмы - ТI тут один из признанных лидеров.

[Alechek]

Тут как сказать.... На ХХ нижний ключ у синхронника должен быть закрыт или открыт?
Вроде как закрыт , так как потребления то нет. Но ведь есть утечки, надо иногда открывать. А закрывать когда? Надо сразу, как ток через него упадет до 0. А как это точно определить? А если чуть позже? Тогда будет расход энергии с выходного конденсатора.
Вот и получается, что на ХХ синхронник гоняет заряды то в конденсатор, то из конденсатора.
А асинхронник может гнать только в конденсатор.
Поправте меня, если я не прав.

У синхронников КПД выше только при средних и высоких нагрузках, при малых токах выигрывают асинхронники.

[Александр1]

У синхронного преобразователя, по сравнению с асинхронным, на один ключ, как минимум, больше. Этот второй ключ тоже нужно окрывать-закрывать, а это перезаряд емкости затвора. Вот и дополнительное потребление на ХХ. Это в теории. А на практике многое еще зависит и от технологии (см. пример выше).

[ArtemKAD]

А закрывать когда? Надо сразу, как ток через него упадет до 0. А как это точно определить?

Микросхема меряет ток через нижний ключ.

[vadimp61]

Есть с малым затуханием в полосе - к примеру EPCOS B3740 c типовыми 0,8дБ(3дБ максимум).

Посмотрел внимательно, у него 0,8 без согласующих цепей, а с ними 2,5дб.
Но вопрос не в этом, как известно у СС1101 балансный (так нельзя конечно говорить) вход который балунами преобразуется в небалансный - антенна.
Можно ли выкинуть балун из LC элементов и использовать данный фильтр в качестве согласования вход(выход) СС1101 на антенну?
Balanced and unbalanced operation possible - так написано в описании на данный фильтр.

[ArtemKAD]

Можно ли выкинуть балун из LC элементов и использовать данный фильтр в качестве согласования вход(выход) СС1101 на антенну?

Вход и выход гальванически развязаны. Да можно.

[Alechek]

Микросхема меряет ток через нижний ключ.

Оч. хорошо. Только чтобы его измерить, надо этот ключ открыть. Как только открыли на ХХ - ток потек в обратном направлении. Попутно создавая в индуктивности э/м поле...
Пока спохватимся, пока закроем...

[ArtemKAD]

Оч. хорошо. Только чтобы его измерить, надо этот ключ открыть. Как только открыли на ХХ - ток потек в обратном направлении. Попутно создавая в индуктивности э/м поле...
Пока спохватимся, пока закроем...

Перед этим был открыт верхний ключ (не без причины) и через индуктивность ток потёк, а значит будет и ток самоиндукции.