IOT 독립형 기기에는 어떤 종류의 배터리가 더 좋나요?

1차 배터리 IoT 기기

많은 소형 IoT 기기가 오랫동안 작동하려면 1차 배터리가 필요합니다.

따라서 센서, MCU, 무선 통신 기능을 위한 초저소비전력과 효율적인 전원 공급을 제공하는 동시에 배터리 제어 및 모니터링도 중요해졌습니다. 여기서는 일반적이고 장기간의 배터리 작동에 적합한 전원 구성과 이동 중 및 사용하지 않을 때 전력 소모를 차단하는 기능을 추가한 솔루션을 예시하겠습니다.

비고: 리튬 1차 전지 정보

3.0V는 이산화망간형/3.6V는 염화티오닐형

솔루션 요약

정보 부스트 IC

회로 블록 다이어그램(a)은 MCU가 배터리에 직접 연결될 수 있는 경우입니다. 단순 IoT/보안/웨어러블/의료용 소형 디바이스는 대부분 이런 구조를 갖고 있습니다.

최근에는 1.8V~3.8V의 넓은 범위에서 동작하는 MCU가 늘어나고 있다. 이 경우 전원 IC를 사용할 필요가 없고 배터리에 직접 연결할 수 있다. 이런 점에서 RF와 센서는 동작전압이 넓더라도 대부분 3.3V의 고정전압을 요구하는데, 그 사양을 만족시키기 위해서는 대부분 일정 전압 이상의 전압이 필요하다. 즉 부스터 IC가 필요하다. RF와 센서가 항상 작동하지 않으며 때로는 RF가 하루에 한 번 몇 초 동안 통신하는 경우도 있습니다.

또한, 항상 작동하는 것처럼 보여도 실제로는 세밀한 ON/OFF 제어로 전류 소모를 줄이고 배터리를 더 오래 지속시키는 경우가 많습니다. 위 작업을 달성하기 위해 MCU는 필요할 때 RF 및 센서 작업의 ON/OFF 제어를 수행합니다. 또한 정지 시에는 RF 및 센서 기능뿐만 아니라 부스트 IC 및 전압 레귤레이터도 정지되어 배터리를 오랫동안 사용할 수 있다. 동작 중 리플을 억제하고 잡음 주파수를 일정하게 유지하려면 PWM 고정형이 적합합니다.

경부하 작동 상태가 존재하는 경우에는 PWM/PFM 변환(작업 모드 자동 전환) 방식을 사용하세요. 또한 EMI를 억제하고 크기를 줄이려면 코일 일체형이 적합합니다. 부스트 DC/DCXCL102: PWM, 코일 일체형XCL103: PWM/PFM, 코일 일체형XC9141: PWM, 외부 코일 전원 공급 장치는 노이즈가 적고 때로는 부스트 IC의 다운스트림 단계에 전압 조정기가 사용됩니다. 높은 리플 제거율/낮은 노이즈 및 우수한 부하 과도 응답 특성을 갖춘 고속 LDO는 전류 소비가 급격하게 변화하는 RF 부품에 가장 적합합니다. 또한 센서 애플리케이션에서는 100kHz 이상의 노이즈가 중요한 경우도 있습니다. 고주파 소음이 적습니다. 고속형보다 저소비형이 더 적합합니다. 전압 조정기

XC6233: 고속

XC6215: 낮은 소비

RESET IC 정보

배터리 전압 및 전압 강하 시기를 모니터링합니다. , MCU가 신호를 보냅니다. 초저소비형을 사용하여 배터리의 부하를 줄입니다. MCU의 전원 전압은 모니터링 중인 전압과 동일하므로 CMOS 출력 유형을 사용할 수 있습니다. CMOS 출력 유형은 풀업 저항이 필요하지 않으며 풀업 저항을 통해 흐르는 전류를 소비하지 않습니다. 또한 N채널 오픈드레인 제품은 배터리 전압이 떨어질 때 'L'을 출력하게 되면 사용되는 풀업 저항에 흐르는 전류가 늘어나 전류 소모도 늘어나 배터리 수명에 영향을 미치게 된다. MCU에는 UVLO 및 A/D 변환기와 같이 전압을 모니터링할 수 있는 제품도 있습니다. 저소비 전압 모니터링 및 기능 안전을 위해 MCU 외부에 모니터링 기능이 필요한 경우 전압 감지기가 유용합니다. 전압 검출기 푸시 버튼 로드 스위치를 추가하여 기능을 추가하고 배터리 내구성을 크게 향상시킨 솔루션입니다. MCU 제어와 버튼 제어를 제대로 즐기기 위해서는 스위치 핀 오른쪽의 SBD와 MCU의 VDD에 풀업 저항이 필요하다. 푸시 버튼 로드 스위치 XC6194: 1A SW 내장 XC6193: 외부 Pch를 지원하여 대용량 전류 구동

이 솔루션에는 다음과 같은 큰 장점이 있습니다.

1. 제품 배송부터 사용 시작까지 배터리 방전 방지

'보관 모드', '배송 모드'라고 합니다. 분리할 수 없는 배터리가 있는 장치에 가장 적합합니다. 이때 소비전류는 거의 0이다. 버튼 하나만 누르면 시작됩니다. 물론 MCU 제어용 버튼도 이 IC와 공유할 수 있다.

2. 주전원 ON-OFF 스위치로 사용 가능

ON-OFF 스위치는 기계식 스위치 대신 버튼으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어 방수 장비에 가장 적합합니다. MCU는 SHDN 핀에 신호를 보내고 푸시 버튼 로드 스위치를 끌 수 있습니다. 또한, 버튼을 길게 눌러 푸시버튼 로드 스위치를 끌 수 있는 타입도 준비했습니다.

3. 충돌 해소

기기가 멈추거나 기타 이상 현상이 발생하는 경우 버튼을 길게 누르는 OFF 기능을 효과적으로 사용할 수 있습니다. 5초 또는 10초 동안 지속되는 유형을 선택하면 오조작으로 인한 정지 가능성이 줄어들어 충돌 대책에 적합합니다. 종료 후 버튼을 다시 누르면 정상적으로 시작됩니다. 그리고 푸쉬버튼 로드스위치는 배터리에 유익한 기능으로 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

돌입 전류 방지 기능을 사용하면 시동 중 돌입 전류가 억제됩니다.

시동이 완료된 후 다음 레벨을 만들기 위해 시작할 수 있는 PG 핀 출력이 있습니다. 전원 IC 및 MCU가 작동합니다. 1.2V UVLO 기능을 사용하면 푸시보턴 로드 스위치가 차단 상태로 전환되어 배터리 누출을 방지하는 효과가 있습니다. VOUT이 크게 떨어지면 출력 단락 보호 기능을 통해 종료 보호 기능이 제공됩니다.

위에서 언급한 것처럼 배터리로 작동되는 코어에 직접 연결된 MCU가 있는 간단한 IoT 장치라도 다음을 통해 더욱 향상될 수 있습니다. 적은 노력 배터리 내구성 및 작은 고감도 요구 사항 충족 용이.

리튬이온 폴리머 인터넷 기기

배터리로 작동하지만 고주파 센서와 복잡한 기능을 갖춘 IoT 기기는 대부분 리튬이온/폴리머 이차전지를 사용한다. 1차 전지 충전 제어 기능과 전원 전압에 맞는 초저소비 강압 DCDC를 추가한 것이 대표적인 전원 솔루션이다.

솔루션 요약

CHARGER IC 소개

리튬이온/폴리머를 사용하는 IoT 기기에는 충전을 위한 배터리 충전 IC와 전압을 낮추기 위한 전원 공급 장치가 필요합니다. 전압 범위 내의 MCU 스텝다운 DC/DC 또는 전압 조정기. 먼저 배터리 충전 IC의 사용법을 설명하겠습니다. 충전전압(CV:ChargeVoltage)과 충전전류(CC:Charge Current)는 기본 선택입니다. 필요한 충전 전류에 따라 충전 IC와 저항 RISET을 선택합니다. 배터리 충전 ICXC6808: 5mA ~ 40mA 내부이든 외부이든 PCM이 필요합니다. NTC의 경우 배터리에 내장되어 있지 않은 경우 배치 위치에 주의하여 외부에 설치하시기 바랍니다. NTC가 필요하지 않은 경우 배터리 충전 IC에 지정된 방법을 통해 NTC 연결 핀을 처리하십시오. 여기서는 충전 상태를 표시하는 CSO 핀을 사용하여 충전 상태를 MCU에 전송했습니다. CSO 핀은 N채널 오픈 드레인 출력이며 신호의 "H" 레벨이 MCU의 I/O 전압 범위와 일치하도록 저항기를 통해 MCU의 전원 공급 장치로 풀업되었습니다.

충전 상태를 표시하기 위해 LED를 사용하는 경우 전력이 VIN에서 파생되도록 전류를 제한하여 저항으로 LED를 구동하세요. 이는 충전 IC에서 공급하는 충전 전류로 LED가 구동되는 것을 방지하기 위함이다. 서지 보호용 TVS는 VIN에 배치됩니다. 외부 핀이기 때문에 ESD 등의 서지가 발생할 수 있으며, 품질이 낮은 USB 어댑터는 부하가 없을 때 매우 높은 전압이 발생할 수 있으므로 TVS 및 제너 다이오드를 사용하여 대책을 세워야 합니다. 또한, 부하 전류를 사용하면서 충전할 때나, 5V를 지속적으로 공급하고 백업용으로 리튬이온/폴리머 배터리를 사용할 때 VIN 또는 배터리 출력 모두에서 적절한 전류를 공급하는 Current Path 기능을 갖춘 고기능 충전기 IC를 사용할 수 있다. .

전류 경로 및 차단 배터리 충전 ICXC6806 포함

MCU 전용 강압 DC/DC 및 LDO 리튬 이온/폴리머 배터리 정보(최대 CV = 4.2V 또는 4.35V) 일반적으로 MCU에는 최대 약 3.8V 강압 DC/DC 또는 전압 조정기. IoT 장치에서 MCU는 여러 기간 동안 절전 상태에서 작동하므로 IOUT은 μA 레벨(휴면 시)부터 100mA 이상(피크 작동 시)까지 효율적이어야 합니다. 이 애플리케이션에 초저소비전력을 결합한 출력 전압 스위칭(VSET) 기능을 갖춘 강압 DC/DC를 사용하면 배터리 내구성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 출력전압 스위칭 기능을 사용하면 전류가 동일하더라도 동작전압을 낮출 수 있어 소비전력을 대폭 줄일 수 있습니다. 일반적으로 MCU는 내장된 RF, 아날로그 및 고속 작동으로 인해 작동 시 더 높은 전원 공급 전압이 필요하지만 절전 중에는 최소 전압에서 작동할 수 있습니다. 예를 들어 Sleep 동안 VOUT을 3.0V에서 1.8V로 줄이면 MCU의 전력 소모를 줄이고 배터리의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 감소된 전압 DC/DCXC9276: Iq = 200nA, 출력 전압 스위칭 기능

또한 충전식 애플리케이션에서는 비효율적인 전압 조정기라도 괜찮다고 판단되어 사용되는 경우가 있습니다. 전압 조정기 XC6504: Iq = 0.6μA, 출력 커패시터 필요 없음

RF/센서 전용 강압 DC/DC 및 LDO 정보

RF 및 센서도 다음으로 인해 강압이 필요합니다. 높은 배터리 전압 전압 DC/DC 및 전압 조정기. RF에서 중요한 것은 낮은 리플과 낮은 EMI입니다. 또한 RF 전송 중 전류 변화가 가파르기 때문에 과도 응답이 우수한 HiSAT-COT 제어가 적합합니다. 감압형 DC/DCXC9281: PWM, 세계 최소형 솔루션(3.52mm2)/낮음 EMIXC9282: PWM/PFM, 세계 최소형 솔루션(3.52mm2)/낮음 EMIXCL221: 코일 일체형 PWM, 1.2MHz/고효율/낮음 EMIXCL222: 코일 원바디 유형 PWM/PFM, 1.2MHz/고효율/낮은 EMI

MCU가 필요한 경우에만 CE = "H"로 설정하고 DC/DC를 낮추는 작업을 수행하고 RF 및 센서에 전압을 공급하여 그들은 작동합니다. 정지 시에는 RF 및 센서 기능이 정지될 뿐만 아니라 강압 DC/DC 동작도 정지되어 배터리를 오랫동안 사용할 수 있습니다. 동작 중 리플을 억제하고 잡음 주파수를 일정하게 유지하려면 PWM 고정형이 적합합니다. 경부하 작업상태에서는 PWM/PFM 변환(작동모드 자동전환) 방식을 사용하십시오. 전압 레귤레이터를 사용하려면 RF와 같이 높은 리플 억제/저잡음, 소비 전류의 급격한 변화에 따른 부하 과도 응답이 뛰어난 고속 LDO가 가장 적합합니다. 또한, 센서 용도에서 100kHz 이상의 노이즈가 중요한 경우에는 고속형보다 고주파 노이즈가 낮은 저소비형이 더 적합할 수 있습니다. 전압 조정기 XC6233: 고속 XC6215: 낮은 소비

RESET 정보 IC는 초저소비 전압 검출기를 사용하여 배터리 전압을 모니터링합니다. MCU의 전원전압은 감지된 배터리 전압과 다르기 때문에 N채널 오픈드레인 방식을 사용하여 저항기를 통해 MCU의 전원전압을 풀업하고 신호를 MCU로 전송해야 한다. 감지 후 풀업 저항의 전류 소모를 줄이려면 모니터링(VSEN) 핀을 전원(VIN) 핀에서 분리하고 CMOS 출력 방식을 사용하십시오. MCU의 공급 전압에서 전원을 얻어 CMOS 출력 유형을 사용할 수 있습니다. 전압 검출기 XC6136 N 타입: Iq~100nA(N 타입: N채널 오픈 드레인 출력) XC6135 C 타입: Iq~100nA, 센싱 핀 분리형(C 타입: CMOS 출력)

푸시 버튼 재시작 정보 컨트롤러

충돌 대책으로 추가된 푸시 버튼 재시작 컨트롤러에 대해.

푸시 버튼 재시작 컨트롤러 XC6190

리튬이온/폴리머 IoT 장치는 일반적으로 배터리를 제거할 수 없으므로 충돌 등 장치에 이상이 있을 경우 재설정하고 다시 시작해야 합니다. 이 예에서는 MCU 제어를 위한 두 개의 버튼이 있습니다. 푸시 버튼은 컨트롤러를 다시 시작하고 함께 사용됩니다. 충돌이 발생하면 두 스위치를 동시에 계속 누르십시오. 지정된 시간이 지나면 RSTB가 "L"로 떨어지며 MCU가 재설정됩니다. RSTB는 N채널 오픈 드레인 출력이므로 MCU의 전원 공급 전압까지 풀업됩니다. 여기서는 RESETB 신호가 MCU로 전송됩니다. MCU 전원 공급 장치를 구동하는 강압 DC/DC를 제어하고 RESET을 길게 눌러 DC/DC를 끄는 방식으로 강제 재시작하는 방법도 있습니다. 이상과 같이 IC를 가장 적절한 기능으로 구성함으로써 단순 산업기기에 요구되는 저잡음, 장수명, 고성능 IoT 디바이스를 구현할 수 있다.

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