遠(yuǎn)程無線電單元（RRU）是蜂窩電信系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)組件。通常安裝在塔上，它們由位于塔附近地面上的封閉掩體內(nèi)的電子設(shè)備控制。太陽能是RRU和整個(gè)塔樓相關(guān)電子設(shè)備的理想備用電源，包括將塔架連接到企業(yè)服務(wù)器的IT設(shè)備。

Solar提供優(yōu)質(zhì)，低成本的備用能源，但它也帶來了一些有趣的工程挑戰(zhàn)。例如，塔式電子設(shè)備需要具有長而不間斷的占空比，并且它們在頻率，電壓波動(dòng)和功率因數(shù)方面需要高質(zhì)量的功率。

圖1顯示了為蜂窩塔實(shí)施太陽能備用系統(tǒng)的兩種選擇。該系統(tǒng)的光伏段可以是相當(dāng)傳統(tǒng)的，并且在右側(cè)顯示非常少的細(xì)節(jié)。從設(shè)計(jì)的角度來看，有兩個(gè)關(guān)鍵問題：監(jiān)控存儲(chǔ)電源的電池組，以及選擇和設(shè)計(jì)系統(tǒng)以將電池組的狀態(tài)傳達(dá)給本地服務(wù)器。

圖1中兩種設(shè)計(jì)的區(qū)別在于，圖中下半部分的選項(xiàng)使用兩個(gè)芯片（低功耗MCU和RF收發(fā)器）進(jìn)行通信，而不是單個(gè)片上系統(tǒng)集成了兩個(gè)功能以及ADC模塊和RF收發(fā)器，如圖的上半部分所示。

圖1：監(jiān)控電池狀態(tài)是必要的太陽能備用電源（德州儀器公司提供）。

雖然更高度集成的解決方案似乎是顯而易見的選擇，但有些情況下雙芯片解決方案可能更優(yōu)越。例如，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能擁有希望重復(fù)使用的MCU代碼，但代碼無法輕松移植到MCU/RF芯片。功率效率是另一個(gè)例子。無線電功能消耗的能量最多，應(yīng)盡可能進(jìn)入低功耗模式。但是如果MCU被其他應(yīng)用程序共享 - 通常就是這種情況 - 那么頻繁關(guān)閉和打開SoC可能是不切實(shí)際的。

由于電池備份系統(tǒng)與電信設(shè)備并聯(lián)，因此它們始終在線。在正常情況下，商用AC電源將電能作為經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電力供應(yīng)給電信和服務(wù)器設(shè)備。在待機(jī)狀態(tài)下，電池系統(tǒng)不會(huì)釋放直流能量，但它會(huì)對(duì)整流器輸出進(jìn)行濾波，并通過消耗極少量的涓流充電直流電流使其自身保持在完全充電狀態(tài)。

構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)的電池需要持續(xù)監(jiān)控，因?yàn)楂@取有關(guān)問題的準(zhǔn)確信息以便正確診斷和修復(fù)是非常重要的。鉛酸電池非常堅(jiān)固，可能不需要溫度監(jiān)測，但仍需要檢查電池組的電壓和電位狀況。

大多數(shù)電信備用電源系統(tǒng)使用鉛酸電池，這種電池價(jià)格低廉，可在極端溫度條件下正常運(yùn)行。然而，鉛酸體系體積龐大，并且具有相對(duì)低的能量密度（即，可能需要非常大的電池來實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)行時(shí)間）。今天的一些裝置正在“升級(jí)”到鋰離子電池組，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩娜萘亢透〉某叽?。然而，作為其更高性能的折衷，鋰離子電池需要專用的電池監(jiān)控電路。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在可以從多個(gè)來源獲得這些電路。與先前類型的鋰離子系統(tǒng)相比，磷酸鐵鋰（LiFePO 4）電池具有改善的溫度性能，并且適用于高放電率應(yīng)用。

使用有線媒體從遠(yuǎn)程位置監(jiān)控電池組是一項(xiàng)繁瑣且昂貴的任務(wù)。連接不匹配和實(shí)施成本使該解決方案成為無線通信替代的簡單目標(biāo)。例如，無線解決方案提供了極大的靈活性，并且通常更便宜。

電池監(jiān)控

為了最大限度地減少埋地電纜的腐蝕，電池塔（通常是電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備）中的設(shè)備在相對(duì)于地面負(fù)電壓的情況下運(yùn)行。電信公司通常使用-48伏特。電池組是專門為滿足工業(yè)要求而制造的，雖然有許多配置可供選擇，但最常見的兩種是四個(gè)12伏電池或24個(gè)兩伏串聯(lián)電池，以提供所需的-48伏電壓。

構(gòu)建一個(gè)能夠測量和數(shù)字化單個(gè)電池狀態(tài)并估算組合電池最大電壓電位的監(jiān)控系統(tǒng)并非易事。半導(dǎo)體公司可以獲得幾種解決方案，并且在許多情況下，相同的IC可以設(shè)計(jì)成鉛酸或鋰基電池系統(tǒng)。例如，德州儀器（TI）提供BQ34z100PWR和BQ2060A-E619DBQR，而凌力爾特公司（Linear Technology）則提供LTC6803IG-1＃PBF多節(jié)電池組監(jiān)視器。 LTC6803設(shè)計(jì)用于測量60伏以上的總電位，并可承受75伏的浪涌。它可以與鋰電池以及傳統(tǒng)的-48伏鉛酸電池組一起使用。理想情況下，應(yīng)通過獨(dú)立于電池和任何IT設(shè)備之間相對(duì)接地的電路來監(jiān)控電池，這使得電流隔離成為可能。

雖然單個(gè)LTC6803輸入通道的ADC范圍限制在5.37伏，但它仍可用于監(jiān)測12伏鉛酸電池，方法是將每個(gè)12伏電池電位分散到三個(gè)通道。然后通過添加這三個(gè)輸入通道讀數(shù)來獲取每個(gè)電池電位。通過將所有DCC配置位設(shè)置為1來重新利用單元平衡控制以保持分壓器被激活。這導(dǎo)致每個(gè)通道轉(zhuǎn)換4伏標(biāo)稱電位。圖2顯示了四個(gè)分頻器部分之一的簡化等效電路。

圖2：每個(gè)12伏電池測量的分壓器結(jié)構(gòu)（由Linear Technology提供）。

旁路電容（4.7μF）在小ADC采樣電流流動(dòng)時(shí)保持中間電壓，而100Ω串聯(lián)電阻和10μH電感提供熱插入浪涌限制。當(dāng)通信停止且LTC6803超時(shí)或設(shè)置為待機(jī)模式時(shí)，平衡放電開關(guān)關(guān)閉，分頻器有效斷開，因此不會(huì)發(fā)生明顯的電池消耗。

必須包含SPI數(shù)據(jù)隔離器，以適應(yīng)處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的微處理器的任何接地差分。如果需要，數(shù)據(jù)隔離器還提供隔離的直流電源軌，可提供數(shù)百毫瓦的電壓。

總之，12伏單位是通過添加三個(gè)輸入通道的讀數(shù)來測量的，這三個(gè)輸入通道的硬件配置為將12伏電壓分成子測量值，這樣就可以為每個(gè)電池實(shí)現(xiàn)16.1伏的有效滿量程范圍。從處理器隔離數(shù)據(jù)采集功能對(duì)于消除接地錯(cuò)誤和安全隱患非常重要，并由SPI隔離器模塊提供。

無線通信

除電池管理外，系統(tǒng)中的另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是將電池狀態(tài)傳送到服務(wù)器（通過MCU）的通信鏈路，管理傳統(tǒng)公用事業(yè)交流電源和備用電源之間的接口，甚至可能在其網(wǎng)絡(luò)中包括溫度傳感器。在圖3所示的解決方案中，RF和MCU功能集成在單個(gè)芯片中，例如Texas Instruments的CC2510F32RSPR SoC?；蛘?，對(duì)于某些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，雙芯片解決方案同樣有效，如前所述。使用TI器件的簡化框圖如圖3所示。

圖3：溫度傳感是TI電池監(jiān)測解決方案的一部分（德州儀器公司提供）。

德州儀器（TI）的LDO線性穩(wěn)壓器TPS78223DDCT（位于圖3頂部）與電池監(jiān)控芯片連接。右側(cè)的接口塊與位于塔式避難所中的服務(wù)器進(jìn)行無線通信。 （為完整起見，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在無線接口模塊中注明。）SimpliciTI?協(xié)議是針對(duì)小型RF網(wǎng)絡(luò)的免版稅，低功率射頻（RF）協(xié)議。 SimpliciTI專為簡單實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，具有最低的微控制器資源要求，可在TI的MSP430?MCU和多個(gè)RF收發(fā)器上開箱即用。它對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特別有用，例如使用電池運(yùn)行并需要較長電池壽命的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

除了從電池監(jiān)控芯片接收電壓數(shù)據(jù)外，MCU還處理來自一個(gè)或多個(gè)傳感器（通常是溫度傳感器）的數(shù)據(jù)，這些傳感器監(jiān)控電池組周圍的環(huán)境條件。這些傳感器是無線網(wǎng)絡(luò)的一部分，包括連接到電池組的接入點(diǎn) - 甚至是太陽能電池板本身。當(dāng)使用簡單的熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測時(shí)（圖3左側(cè)），信號(hào)需要使用德州儀器的OPA369AIDCKR等運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。更復(fù)雜的應(yīng)用可能使用集成電路溫度傳感器，如TI的TMP102AIDRLT。將這種類型的傳感器與MCU連接將成為本文下一部分的主題。

一旦來自太陽能備用電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被服務(wù)器接收和處理，它就會(huì)通過WMAX回程鏈路中繼到企業(yè)服務(wù)器。

如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇雙芯片解決方案，關(guān)鍵組件可能是TI的MSP430F2274 MCU和CC2500RTKR 2.4 GHz無線收發(fā)器。德州儀器（TI）提供能量收集開發(fā)工具eZ430-RF2500-SEH，該工具基于這兩個(gè)芯片和太陽能收集器模塊。該模塊包括一個(gè)高效太陽能（2.25 x 2.25英寸）面板，優(yōu)化用于在低強(qiáng)度熒光燈下在室內(nèi)操作，提供足夠的電力來運(yùn)行無線傳感器應(yīng)用而無需額外的電池。輸入也可用于外部能量采集器，例如熱能，壓電或其他太陽能電池板。對(duì)于選擇單芯片（MCU/RF）解決方案的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，德州儀器提供類似的套件，即C2000開發(fā)套件ISO SOLAR MPPT HV。

溫度傳感

電池組的溫度傳感對(duì)鋰基備用電源系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)檫^熱可能會(huì)導(dǎo)致熱失控甚至電池破裂。鉛酸電池更加堅(jiān)固，但仍然建議在電池塔應(yīng)用中使用廉價(jià)的基于熱敏電阻的溫度監(jiān)測。

當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)到位時(shí)，最好遠(yuǎn)程執(zhí)行這些測量。有許多解決方案，包括使用分立晶體管，熱敏電阻和SoC。當(dāng)溫度至關(guān)重要時(shí)，首選SoC溶液。例如，德州儀器（TI）的TMP102與其MSP430 MCU結(jié)合使用后，將成為全功能溫度測量系統(tǒng)。電源由三伏CR-2032鋰紐扣電池供電，額定工作時(shí)間至少為220毫安。總系統(tǒng)平均電流消耗為2.45μA，一個(gè)完整的測量和顯示平臺(tái)能夠從單個(gè)電池連續(xù)運(yùn)行超過10年成為現(xiàn)實(shí)。該計(jì)算如下式所示：

220 mAh/2.45μA= 89，796小時(shí)= 10。25年

為了實(shí)現(xiàn)較低的平均電流，必須注意開發(fā)具有最小活動(dòng)次數(shù)的MCU軟件時(shí)鐘周期。 MSP430 DCO和CPU從低功耗睡眠模式的快速6μs喚醒時(shí)間以及TMP102的單次操作提供了創(chuàng)建此類軟件流的靈活性。圖4顯示了MSP430通過完整轉(zhuǎn)換周期的軟件流程。

圖4：快速喚醒MCU對(duì)于延長電池壽命至關(guān)重要（德州儀器提供）。

通過將MSP430的有效時(shí)間最小化到每個(gè)轉(zhuǎn)換周期1.6 ms，可以控制總系統(tǒng)功耗。從LPM3快速喚醒CPU和DCO允許MSP430執(zhí)行所需任務(wù)并盡快重新進(jìn)入低功耗模式。然后CPU等待下一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生的中斷并重復(fù)該循環(huán)。德州儀器（TI）進(jìn)行了額外的代碼優(yōu)化，例如減少子程序調(diào)用的直線技術(shù)。為了清楚軟件流程，子程序從主循環(huán)中分出。

結(jié)論

通過使用太陽能作為備用電源，蜂窩塔安裝可以實(shí)現(xiàn)成本和運(yùn)營效益，但必須監(jiān)控存儲(chǔ)太陽能的電池的電壓和溫度。簡單，廉價(jià)的無線網(wǎng)絡(luò)非常適用于此目的，還可用于將感測信息傳送到本地服務(wù)器，以便分析和重新傳輸?shù)狡髽I(yè)服務(wù)器。半導(dǎo)體公司使設(shè)計(jì)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)變得更加容易，現(xiàn)在提供直接針對(duì)該應(yīng)用的解決方案。