Для кого і про що цей матеріал

Стаття для розробників інженерного рівня

У даному технічному листку наведено ключові принципи організації живлення контролерів на базі модуля ESP8266-12, вказано на важливі характеристики та обмеження якими обов’язково потрібно керуватися під час проектування та/або експлуатації зазначених пристроїв. Також ці настанови можуть бути застосовані для похідних пристроїв, до складу яких входить однойменний чіп ESP8266EX компанії Espressif.

Загальні

Є багато технічних характеристик, які бажано досягти в результаті розробки чи дотримуватися під час експлуатації тих чи інших розумних пристроїв.

Розробка підсистем живлення – досить складна частина проекту пристроїв класу IoT.  Через наші руки часто проходять пристрої, де розробниками (а може замовниками) були проігноровані, чи, майже не враховані, вимоги до характеристик підсистеми живлення. Бувають ситуації, коли підсистема живлення пристрою має бути складніша і дорожча, ніж основна електроніка. Ми радимо починати розробку пристроїв з оцінки вимог до їх живлення. Вимоги мають бути компромісними в рамках зручності використання пристроїв і їх вартістю. 

То ж розглянемо які характеристики потрібно взяти до уваги і оцінити. Радимо ставити собі наступні запитання: 

• Яка очікувана температура оточуючого середовища? – Чи потрібне примусове охолодження?
• Якою має бути тривалість безперервної активної роботи пристрою?
• Які вибрати роз’єми (електричні характеристики, надійність, зручність, сумісність, захист)?
• Чи потрібно передбачити автономне живлення, чи буде живлення від електромережі?
• Чи потрібно передбачити безперервний перехід на резервне живлення?
• Який ресурс акумуляторної батареї?
• Чи передбачати вбудований контролер заряджання?
• Чи потрібно передбачити моніторинг станів підсистеми живлення?
• Чи потрібно впроваджувати систему захисту від пульсацій і випромінювання завад і наскільки високі вимоги до неї?
• Рівні напруг?
• Рівні струму споживання?
• Розміри і маса?
• Перспективність тривалого виробництва застосованих компонентів
• Техніка безпеки! – гальванічна розв’язка, ізоляція, відповідність вимогам виробників.
• Нормативні вимоги з екологічної і споживчої безпеки, електромагнітної сумісності, тощо. 

В цій публікації ми не плануємо поглиблювати аналіз рішень. Просто скористайтесь цим (не повним) переліком, щоб не пропустити щось важливе.

Модуль ESP8266

Спершу розглянемо технічні особливості живлення модуля ESP8266-12E (F). На приведених далі схемах і у таблицях зазначені піни входів і виходів живлення і основні характеристики для розрахунку джерел живлення. Ключова особливість ESP8266 полягає в величині напруги VCC і конструкції модуля.

Як видно з Рис. 1, за подачу живлення на модуль відповідає пін 8. Відповідно до документації виробника даних модулів нам відомо, що ніякого захисту в тому числі від переполюсовки ліній живлення немає – якщо лінії живлення переплутати, то модуль гарантовано вийде з ладу. Припустимий рівень напруги на цьому вході обмежений виробником в межах від 3 Вольт до 3,6 Вольт.

Таблиця 1. Підключення живлення до модуля ESP8266-12

Pin #	Роз’єм	Назва	Властивості	Напруга	Струм
8	PLS 2,0	VCC	Вхід	Надійно:3,3 Вольт; Допустимо 2,9 – 3,6 Вольт	Спокій 80 мАМакс. 130 мАDeep sleep меньше 1 мА
15	PLS 2,0	GND	Загальний	–	–

Важливі поради:

А) В модулі ESP8266-12E(F) не передбачене автоматичне регулювання напруги. В разі застосування “чужого” джерела живлення, наприклад, Li-Ion акумулятора, VCC може виходити за визначені виробником рамки. Робота модуля буде нестабільною, більш того, модуль може бути пошкоджений. Радимо встановити стабілізатор напруги 3,3 Вольт в Вашому прикладному контроллері,  ядром якого буде ESP8266-12E(F).

Б) Зверніть увагу на те, що тип стабілізатора потрібно обрати з низьким відношенням вихідної і вхідної напруги в випадку, коли контроллер плануєте живити від Li-Ion акумулятора. В цьому разі буде досягнутий майже весь операційний діапазон напруги акумулятора і тривалість живлення пристрою від однієї зарядки збільшиться. Такі мікросхеми дорожчі, але Ви не пошкодуєте.

В) Модуль має на “борту” конденсатори компенсації пульсацій і завад.

Г) У випадку живлення пристрою з з ядром ESP8266-12E(F) від “стінної зарядки”, радимо встановити стабілізатор напруги на 3,3 Вольт з широким діапазоном вхідної напруги. 

Д) У випадку, коли необхідно підключитися debug-консоллю персонального комп’ютера до модуля ESP8266-12E(F) через піни UART (Pin 22 TX GPIO01 / Pin 21 RX GPIO03), виберіть узгоджувач інтерфейсів (USB-UART) з можливістю відключення лінії живлення між модулем і USB-UART узгоджувачем. Це обов’язково потрібно щоб запобігти зустрічному включенню 3V3 живлення модуля і живлення конвертера.

Є) Обираючи модулі I2C, зверніть увагу, щоб рівень напруги їх живлення був 3V3. Це суттєво, оскільки у продажу знаходиться багато модів з інтерфейсом I2C, що по живленню розраховано на 5 Вольт.

Ж) При з’єднанні по шині I2C кількох пристроїв котрі мають власне живлення, не використовуйте шинну лінію VCC (тобто застосовується тільки SDA, SCL, GND).

Плата NodeMCU

На відміну від ESP8266-12E(F), плата NodeMCU орієнтована, як інструмент моделювання і розробки. На платі встановлений роз’єм microUSB і стабілізатор, а також передбачені виходи 3,3 Вольт для живлення інших (підпорядкованих, з точки зору живлення) компонентів при моделюванні.

В таблиці 2 зазначено, що 

• піни 3V3 є виходами для живлення підпорядкованих по живленню пристроїв. Максимальне сумарне навантаження на ці виходи не повинно перевищувати 500 мА;
• вхідні лінії живлення через роз’єм micro USB і вивід Vin мають однакове призначення, але ці піни фізично не з’єднані між собою, а тому Vin (VCC) не може виконувати роль виходу 5 Вольт для живлення підпорядкованих пристроїв.

Таблиця 2. Підключення живлення до плати NodeMCU

Роз’єм	Назва	Властивості	Напруга	Струм (макс.)
?USB		Вхід	5 Вольт	150 мА
PLS 2,54	Vin	Вхід	5-15 Вольт	150 мА
PLS 2,54	3V3	Вихід	3,3 Вольт	500 мА
PLS 2,54	GND	Загальний	–	–

Важливі поради:

А) Для живлення плати NodeMCU необхідний рівень напруги – (5 -15) Вольт. Якщо ви проектуєте портативний пристрій з ядром на основі саме плати NodeMCU, і живленням від Li-Ion акумулятора, рекомендуємо схемно передбачити встановлення підвищуючого DC-DC конвертора з вхідною напругою від 2 до 5 Вольт і вихідною 5 Вольт. Готові такі модулі широко і дешево продаються, а схеми публікуються в інтернет.

Б) На платі NodeMCU вже встановлено конвертер інтерфейсів USB-UART і лінії передачі даних TX/RX виведено разом із лініями живлення на роз’єм micro USB. Тому якщо живлення подається на плату через роз’єм micro USB, то заборонено одночасне підключення живлення на вивід Vin.

Висновки

Модуль і плата мають особливості щодо подачі живлення. 

Враховуючи ці особливості, плата NodeMCU є готовим до застосування пристроєм. За нашими оцінками, недоліком на платі NodeMCU є невдалий вибір типу мікросхеми стабілізатора напруги. Було б краще використати мікросхему з низьким відношенням вхідної і вихідної напруг. Це дало б можливість знизити рівень допустимої вхідної напруги до 3,4 Вольт і живити NodeMCU безпосередньо від Li-Ion батареї.

Альтернативним способом живлення плати NodeMCU від Li-Ion батареї є застосування підвищуючого DC-DC конвертера з вихідною напругою 5 Вольт між батареєю та micro USB (не Vin) плати NodeMCU.

Модуль ESP8266, на відміну від плати NodeMCU,  не має власних перетворювачів і регуляторів живлення і вимагає використання готових, відповідних систем живлення, або розробки та інтеграції власних.

Бажаємо успіхів.