【成功案例】可以连续工作十年而不更换电池的基于DC-DC电源方案SGM66099-3.3的NB-IoT水表
NB-IoT的应用越来越广泛，特别是在电池供电的低功耗广域网LPWAN中应用更加普遍。但是真正做到超低功耗还是很不容易的，需要在系统设计，电源选型，通讯机制等方面来系统的设计和规划才能实现。本文基于圣邦微电子的超低功耗开关电源和移远的低功耗NB-IoT模块BC95设计一款水表的远程抄表系统。
远程抄表设计的难点在于整体的系统功耗需要很低，由于是电池供电，但是基本上产品需要连续工作5年以上不需要更换电池。而我们的客户需要设计一款可以连续工作十年而不更换电池而且需要免维护的智能水表和抄表系统。这一要求对器件的选型十分苛刻。远程抄表的方案一般包括MCU，低功耗霍尔传感器，无线模块，电源和LCD显示部分。为了进一步降级功耗我们使用定制化的LCD段码屏作为辅助显示界面，之所以说是辅助显示，主要是系统的主要信息是通过NB的BC95模块和华为云作为媒介，通过NB网络的无线通信来时时间设置和数据采集，水表端的LCD显示屏仅仅作为应急和查询显示用，在通常的工作模式下，LCD屏不显示，通过一个薄膜按键产生的中断才唤醒MCU开启数据显示。本系统的具体的系统框图如下：
图1 系统框图
这里首先结合系统框图介绍一下系统的整体方案和设计思路。方案的具体要求如下：
1. 低功耗
2. 整体PCBA尺寸要小
3. 10年免维护
低功耗方面设计主要考虑关键器件的选型，特别是需要一直上电的器件的选型上，从系统框图上看，需要一直上电的器件有DC-DC电源，NB模组BC95，MCU和霍尔传感器SS3413这四个部分。
首先是电源部分，一般的方案需要DC-DC开关电源再加一个LDO给无线NB模块BC95供电，这样噪声会低一些。但是我们选择的圣邦微电子的DC-DC电源方案SGM66099-3.3不需要LDO即可满足需要，SG Micro Corp（圣邦微电子）是中国十大IC设计公司之一，是一家专注于高性能、高品质模拟集成电路研发和销售的半导体公司。SGM66099-3.3芯片不仅静态功耗超低，静态电流仅为0.6uA，而且输入电压范围为1.1V-5.0V，输出电压范围为2.5V-5.4V，这个比较宽的电压输入范围可以实现电池电压下降后还可以持续工作的目的，而且实测200mA的负载下电源纹波可以满足NB模块BC95的供电要求。供电电池我们选择一次锂亚电池，电池电压为3.6V。锂亚电池目前是电池行业自放电最小而且电池能量密度最高的一次电池，锂亚电池每年自放电仅仅为1%。可以保证产品10年内自放电不超过15%。MCU我们选择的是目前行业内休眠模式下功耗最低的EFM8SB10F8G，深度睡眠下功耗仅50nA。另外就是霍尔传感器SS3413和NB模块BC95，霍尔传感器的功耗5uA，而BC95的PSM模式下功耗仅为3.6uA。综合汇总该方案的待机功耗和工作功耗如下：
表 1系统功耗估算
从以上评估加上电池自放电，我们选择3500mAh的一次锂亚电池。
第二点是模块尺寸尽量小，我们选择的器件封装基本上都是比较小的封装，为了进一步降低尺寸，没有选择外置天线或尺寸较大的PCB天线，而是选择了世强代理的陶格斯的NB Iot陶瓷天线NCP.5820，尺寸仅为14.1*8.3*2mm，该贴片天线支持Band5，Band8和Band20。可以支持移远的BC95模块的Band5，Band8和Band20频段。
第三点是10年免维护，这一点需要选择高可靠性器件，特别是MCU，我们选择的EFM8SB10F8G是车规级的MCU，通过了AEC-Q100认证。而天线也是SMD天线省去了射频同轴电缆，采用SMT工艺贴装，提升了产品的一致性和可靠性。这样才能保证系统的长时间免维护。
该系统云端采用华为的开放云服务，提供详细的API库和详细的开发指导文档，方便云端的二次开发。这里要说明一点，利用华为的云服务，为了降低功耗，我们采用的是水表端主动上报数据的模式，而非用云端查询的模式。这样可以保证水表端MCU为主机模式，不会被轻易唤醒，尽量处于休眠状态，延长电池的使用时间。
综上所述，我们设计了超低功耗，高可靠性的远程抄水表系统，这里附上简化版原理以供参考，如有什么问题欢迎大家交流指导！
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sternlycore Lv6. 高级专家 2020-03-15通过D1后再升压，作者不觉得D1的消耗会很大嘛？即使后端DCDC效率再高，D1的损耗也是一直存在的。
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