遠程無線電單元（RRU）是蜂窩電信系統的關鍵任務組件。通常安裝在塔上，它們由位于塔附近地面上的封閉掩體內的電子設備控制。太陽能是RRU和整個塔樓相關電子設備的理想備用電源，包括將塔架連接到企業服務器的IT設備。

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

圖1顯示了為蜂窩塔實施太陽能備用系統的兩種選擇。該系統的光伏段可以是相當傳統的，并且在右側顯示非常少的細節。從設計的角度來看，有兩個關鍵問題：監控存儲電源的電池組，以及選擇和設計系統以將電池組的狀態傳達給本地服務器。

圖1中兩種設計的區別在于，圖中下半部分的選項使用兩個芯片（低功耗MCU和RF收發器）進行通信，而不是單個片上系統集成了兩個功能以及ADC模塊和RF收發器，如圖的上半部分所示。

圖1：監控電池狀態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越。例如，設計團隊可能擁有希望重復使用的MCU代碼，但代碼無法輕松移植到MCU/RF芯片。功率效率是另一個例子。無線電功能消耗的能量最多，應盡可能進入低功耗模式。但是如果MCU被其他應用程序共享 - 通常就是這種情況 - 那么頻繁關閉和打開SoC可能是不切實際的。

由于電池備份系統與電信設備并聯，因此它們始終在線。在正常情況下，商用AC電源將電能作為經調節的DC電力供應給電信和服務器設備。在待機狀態下，電池系統不會釋放直流能量，但它會對整流器輸出進行濾波，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。

構成存儲系統的電池需要持續監控，因為獲取有關問題的準確信息以便正確診斷和修復是非常重要的。鉛酸電池非常堅固，可能不需要溫度監測，但仍需要檢查電池組的電壓和電位狀況。

大多數電信備用電源系統使用鉛酸電池，這種電池價格低廉，可在極端溫度條件下正常運行。然而，鉛酸體系體積龐大，并且具有相對低的能量密度（即，可能需要非常大的電池來實現所需的運行時間）。今天的一些裝置正在“升級”到鋰離子電池組，因為它們具有更高的容量和更小的尺寸。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控電路。幸運的是，現在可以從多個來源獲得這些電路。與先前類型的鋰離子系統相比，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用。

使用有線媒體從遠程位置監控電池組是一項繁瑣且昂貴的任務。連接不匹配和實施成本使該解決方案成為無線通信替代的簡單目標。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（通常是電信基礎設施設備）中的設備在相對于地面負電壓的情況下運行。電信公司通常使用-48伏特。電池組是專門為滿足工業要求而制造的，雖然有許多配置可供選擇，但最常見的兩種是四個12伏電池或24個兩伏串聯電池，以提供所需的-48伏電壓。

構建一個能夠測量和數字化單個電池狀態并估算組合電池最大電壓電位的監控系統并非易事。半導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可以設計成鉛酸或鋰基電池系統。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多節電池組監視器。 LTC6803設計用于測量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的-48伏鉛酸電池組一起使用。理想情況下，應通過獨立于電池和任何IT設備之間相對接地的電路來監控電池，這使得電流隔離成為可能。

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

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

旁路電容（4.7μF）在小ADC采樣電流流動時保持中間電壓，而100Ω串聯電阻和10μH電感提供熱插入浪涌限制。當通信停止且LTC6803超時或設置為待機模式時，平衡放電開關關閉，分頻器有效斷開，因此不會發生明顯的電池消耗。

必須包含SPI數據隔離器，以適應處理監控數據的微處理器的任何接地差分。如果需要，數據隔離器還提供隔離的直流電源軌，可提供數百毫瓦的電壓。

總之，12伏單位是通過添加三個輸入通道的讀數來測量的，這三個輸入通道的硬件配置為將12伏電壓分成子測量值，這樣就可以為每個電池實現16.1伏的有效滿量程范圍。從處理器隔離數據采集功能對于消除接地錯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，系統中的另一個關鍵應用是將電池狀態傳送到服務器（通過MCU）的通信鏈路，管理傳統公用事業交流電源和備用電源之間的接口，甚至可能在其網絡中包括溫度傳感器。在圖3所示的解決方案中，RF和MCU功能集成在單個芯片中，例如Texas Instruments的CC2510F32RSPR SoC。或者，對于某些設計團隊來說，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線性穩壓器TPS78223DDCT（位于圖3頂部）與電池監控芯片連接。右側的接口塊與位于塔式避難所中的服務器進行無線通信。 （為完整起見，網絡協議在無線接口模塊中注明。）SimpliciTI?協議是針對小型RF網絡的免版稅，低功率射頻（RF）協議。 SimpliciTI專為簡單實現而設計，具有最低的微控制器資源要求，可在TI的MSP430?MCU和多個RF收發器上開箱即用。它對于網絡應用特別有用，例如使用電池運行并需要較長電池壽命的傳感器網絡。

除了從電池監控芯片接收電壓數據外，MCU還處理來自一個或多個傳感器（通常是溫度傳感器）的數據，這些傳感器監控電池組周圍的環境條件。這些傳感器是無線網絡的一部分，包括連接到電池組的接入點 - 甚至是太陽能電池板本身。當使用簡單的熱敏電阻進行溫度檢測時（圖3左側），信號需要使用德州儀器的OPA369AIDCKR等運算放大器進行放大。更復雜的應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的數據被服務器接收和處理，它就會通過WMAX回程鏈路中繼到企業服務器。

如果設計團隊選擇雙芯片解決方案，關鍵組件可能是TI的MSP430F2274 MCU和CC2500RTKR 2.4 GHz無線收發器。德州儀器（TI）提供能量收集開發工具eZ430-RF2500-SEH，該工具基于這兩個芯片和太陽能收集器模塊。該模塊包括一個高效太陽能（2.25 x 2.25英寸）面板，優化用于在低強度熒光燈下在室內操作，提供足夠的電力來運行無線傳感器應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。對于選擇單芯片（MCU/RF）解決方案的設計團隊，德州儀器提供類似的套件，即C2000開發套件ISO SOLAR MPPT HV。

溫度傳感

電池組的溫度傳感對鋰基備用電源系統至關重要，因為過熱可能會導致熱失控甚至電池破裂。鉛酸電池更加堅固，但仍然建議在電池塔應用中使用廉價的基于熱敏電阻的溫度監測。

當無線網絡已經到位時，最好遠程執行這些測量。有許多解決方案，包括使用分立晶體管，熱敏電阻和SoC。當溫度至關重要時，首選SoC溶液。例如，德州儀器（TI）的TMP102與其MSP430 MCU結合使用后，將成為全功能溫度測量系統。電源由三伏CR-2032鋰紐扣電池供電，額定工作時間至少為220毫安。總系統平均電流消耗為2.45μA，一個完整的測量和顯示平臺能夠從單個電池連續運行超過10年成為現實。該計算如下式所示：

220 mAh/2.45μA= 89，796小時= 10。25年

為了實現較低的平均電流，必須注意開發具有最小活動次數的MCU軟件時鐘周期。 MSP430 DCO和CPU從低功耗睡眠模式的快速6μs喚醒時間以及TMP102的單次操作提供了創建此類軟件流的靈活性。圖4顯示了MSP430通過完整轉換周期的軟件流程。

圖4：快速喚醒MCU對于延長電池壽命至關重要（德州儀器提供）。

通過將MSP430的有效時間最小化到每個轉換周期1.6 ms，可以控制總系統功耗。從LPM3快速喚醒CPU和DCO允許MSP430執行所需任務并盡快重新進入低功耗模式。然后CPU等待下一個定時器產生的中斷并重復該循環。德州儀器（TI）進行了額外的代碼優化，例如減少子程序調用的直線技術。為了清楚軟件流程，子程序從主循環中分出。

結論

通過使用太陽能作為備用電源，蜂窩塔安裝可以實現成本和運營效益，但必須監控存儲太陽能的電池的電壓和溫度。簡單，廉價的無線網絡非常適用于此目的，還可用于將感測信息傳送到本地服務器，以便分析和重新傳輸到企業服務器。半導體公司使設計監控和數據傳輸子系統變得更加容易，現在提供直接針對該應用的解決方案。