塔式电子设备的太阳能备用系统设计

远程无线电单元（RRU）是蜂窝电信系统的关键任务组件。通常安装在塔上，它们由位于塔附近地面上的封闭掩体内的电子设备控制。太阳能是RRU和整个塔楼相关电子设备的理想备用电源，包括将塔架连接到企业服务器的IT设备。

Solar提供优质，低成本的备用能源，但它也带来了一些有趣的工程挑战。例如，塔式电子设备需要具有长而不间断的占空比，并且它们在频率，电压波动和功率因数方面需要高质量的功率。

图1显示了为蜂窝塔实施太阳能备用系统的两种选择。该系统的光伏段可以是相当传统的，并且在右侧显示非常少的细节。从设计的角度来看，有两个关键问题：监控存储电源的电池组，以及选择和设计系统以将电池组的状态传达给本地服务器。

图1中两种设计的区别在于，图中下半部分的选项使用两个芯片（低功耗MCU和RF收发器）进行通信，而不是单个片上系统集成了两个功能以及ADC模块和RF收发器，如图的上半部分所示。

图1：监控电池状态是必要的太阳能备用电源（德州仪器公司提供）。

虽然更高度集成的解决方案似乎是显而易见的选择，但有些情况下双芯片解决方案可能更优越。例如，设计团队可能拥有希望重复使用的MCU代码，但代码无法轻松移植到MCU/RF芯片。功率效率是另一个例子。无线电功能消耗的能量最多，应尽可能进入低功耗模式。但是如果MCU被其他应用程序共享 - 通常就是这种情况 - 那么频繁关闭和打开SoC可能是不切实际的。

由于电池备份系统与电信设备并联，因此它们始终在线。在正常情况下，商用AC电源将电能作为经调节的DC电力供应给电信和服务器设备。在待机状态下，电池系统不会释放直流能量，但它会对整流器输出进行滤波，并通过消耗极少量的涓流充电直流电流使其自身保持在完全充电状态。

构成存储系统的电池需要持续监控，因为获取有关问题的准确信息以便正确诊断和修复是非常重要的。铅酸电池非常坚固，可能不需要温度监测，但仍需要检查电池组的电压和电位状况。

大多数电信备用电源系统使用铅酸电池，这种电池价格低廉，可在极端温度条件下正常运行。然而，铅酸体系体积庞大，并且具有相对低的能量密度（即，可能需要非常大的电池来实现所需的运行时间）。今天的一些装置正在“升级”到锂离子电池组，因为它们具有更高的容量和更小的尺寸。然而，作为其更高性能的折衷，锂离子电池需要专用的电池监控电路。幸运的是，现在可以从多个来源获得这些电路。与先前类型的锂离子系统相比，磷酸铁锂（LiFePO 4）电池具有改善的温度性能，并且适用于高放电率应用。

使用有线媒体从远程位置监控电池组是一项繁琐且昂贵的任务。连接不匹配和实施成本使该解决方案成为无线通信替代的简单目标。例如，无线解决方案提供了极大的灵活性，并且通常更便宜。

电池监控

为了最大限度地减少埋地电缆的腐蚀，电池塔（通常是电信基础设施设备）中的设备在相对于地面负电压的情况下运行。电信公司通常使用-48伏特。电池组是专门为满足工业要求而制造的，虽然有许多配置可供选择，但最常见的两种是四个12伏电池或24个两伏串联电池，以提供所需的-48伏电压。

构建一个能够测量和数字化单个电池状态并估算组合电池最大电压电位的监控系统并非易事。半导体公司可以获得几种解决方案，并且在许多情况下，相同的IC可以设计成铅酸或锂基电池系统。例如，德州仪器（TI）提供BQ34z100PWR和BQ2060A-E619DBQR，而凌力尔特公司（Linear Technology）则提供LTC6803IG-1＃PBF多节电池组监视器。 LTC6803设计用于测量60伏以上的总电位，并可承受75伏的浪涌。它可以与锂电池以及传统的-48伏铅酸电池组一起使用。理想情况下，应通过独立于电池和任何IT设备之间相对接地的电路来监控电池，这使得电流隔离成为可能。

虽然单个LTC6803输入通道的ADC范围限制在5.37伏，但它仍可用于监测12伏铅酸电池，方法是将每个12伏电池电位分散到三个通道。然后通过添加这三个输入通道读数来获取每个电池电位。通过将所有DCC配置位设置为1来重新利用单元平衡控制以保持分压器被激活。这导致每个通道转换4伏标称电位。图2显示了四个分频器部分之一的简化等效电路。

图2：每个12伏电池测量的分压器结构（由Linear Technology提供）。

旁路电容（4.7μF）在小ADC采样电流流动时保持中间电压，而100Ω串联电阻和10μH电感提供热插入浪涌限制。当通信停止且LTC6803超时或设置为待机模式时，平衡放电开关关闭，分频器有效断开，因此不会发生明显的电池消耗。

必须包含SPI数据隔离器，以适应处理监控数据的微处理器的任何接地差分。如果需要，数据隔离器还提供隔离的直流电源轨，可提供数百毫瓦的电压。

总之，12伏单位是通过添加三个输入通道的读数来测量的，这三个输入通道的硬件配置为将12伏电压分成子测量值，这样就可以为每个电池实现16.1伏的有效满量程范围。从处理器隔离数据采集功能对于消除接地错误和安全隐患非常重要，并由SPI隔离器模块提供。

无线通信

除电池管理外，系统中的另一个关键应用是将电池状态传送到服务器（通过MCU）的通信链路，管理传统公用事业交流电源和备用电源之间的接口，甚至可能在其网络中包括温度传感器。在图3所示的解决方案中，RF和MCU功能集成在单个芯片中，例如Texas Instruments的CC2510F32RSPR SoC。或者，对于某些设计团队来说，双芯片解决方案同样有效，如前所述。使用TI器件的简化框图如图3所示。

图3：温度传感是TI电池监测解决方案的一部分（德州仪器公司提供）。

德州仪器（TI）的LDO线性稳压器TPS78223DDCT（位于图3顶部）与电池监控芯片连接。右侧的接口块与位于塔式避难所中的服务器进行无线通信。 （为完整起见，网络协议在无线接口模块中注明。）SimpliciTI™协议是针对小型RF网络的免版税，低功率射频（RF）协议。 SimpliciTI专为简单实现而设计，具有最低的微控制器资源要求，可在TI的MSP430™MCU和多个RF收发器上开箱即用。它对于网络应用特别有用，例如使用电池运行并需要较长电池寿命的传感器网络。

除了从电池监控芯片接收电压数据外，MCU还处理来自一个或多个传感器（通常是温度传感器）的数据，这些传感器监控电池组周围的环境条件。这些传感器是无线网络的一部分，包括连接到电池组的接入点 - 甚至是太阳能电池板本身。当使用简单的热敏电阻进行温度检测时（图3左侧），信号需要使用德州仪器的OPA369AIDCKR等运算放大器进行放大。更复杂的应用可能使用集成电路温度传感器，如TI的TMP102AIDRLT。将这种类型的传感器与MCU连接将成为本文下一部分的主题。

一旦来自太阳能备用电池系统的数据被服务器接收和处理，它就会通过WMAX回程链路中继到企业服务器。

如果设计团队选择双芯片解决方案，关键组件可能是TI的MSP430F2274 MCU和CC2500RTKR 2.4 GHz无线收发器。德州仪器（TI）提供能量收集开发工具eZ430-RF2500-SEH，该工具基于这两个芯片和太阳能收集器模块。该模块包括一个高效太阳能（2.25 x 2.25英寸）面板，优化用于在低强度荧光灯下在室内操作，提供足够的电力来运行无线传感器应用而无需额外的电池。输入也可用于外部能量采集器，例如热能，压电或其他太阳能电池板。对于选择单芯片（MCU/RF）解决方案的设计团队，德州仪器提供类似的套件，即C2000开发套件ISO SOLAR MPPT HV。

温度传感

电池组的温度传感对锂基备用电源系统至关重要，因为过热可能会导致热失控甚至电池破裂。铅酸电池更加坚固，但仍然建议在电池塔应用中使用廉价的基于热敏电阻的温度监测。

当无线网络已经到位时，最好远程执行这些测量。有许多解决方案，包括使用分立晶体管，热敏电阻和SoC。当温度至关重要时，首选SoC溶液。例如，德州仪器（TI）的TMP102与其MSP430 MCU结合使用后，将成为全功能温度测量系统。电源由三伏CR-2032锂纽扣电池供电，额定工作时间至少为220毫安。总系统平均电流消耗为2.45μA，一个完整的测量和显示平台能够从单个电池连续运行超过10年成为现实。该计算如下式所示：

220 mAh/2.45μA= 89，796小时= 10。25年

为了实现较低的平均电流，必须注意开发具有最小活动次数的MCU软件时钟周期。 MSP430 DCO和CPU从低功耗睡眠模式的快速6μs唤醒时间以及TMP102的单次操作提供了创建此类软件流的灵活性。图4显示了MSP430通过完整转换周期的软件流程。

图4：快速唤醒MCU对于延长电池寿命至关重要（德州仪器提供）。

通过将MSP430的有效时间最小化到每个转换周期1.6 ms，可以控制总系统功耗。从LPM3快速唤醒CPU和DCO允许MSP430执行所需任务并尽快重新进入低功耗模式。然后CPU等待下一个定时器产生的中断并重复该循环。德州仪器（TI）进行了额外的代码优化，例如减少子程序调用的直线技术。为了清楚软件流程，子程序从主循环中分出。

结论

通过使用太阳能作为备用电源，蜂窝塔安装可以实现成本和运营效益，但必须监控存储太阳能的电池的电压和温度。简单，廉价的无线网络非常适用于此目的，还可用于将感测信息传送到本地服务器，以便分析和重新传输到企业服务器。半导体公司使设计监控和数据传输子系统变得更加容易，现在提供直接针对该应用的解决方案。