Revizyon Bilgisi

Bu teknik doküman B107AA R6 için hazırlanmış olup yeni yapılacak olan tasarımlara kaynak niteliğindedir.

Batarya ve Batarya Koruma

B107AA; enerji kesintilerinde dahi sunucuya veri gönderebilecek şekilde planlanmıştır. Bu nedenle kart üzerinde 1 hücre Li‑ion (1S, $3.0$–$4.2\,\mathrm{V}$) batarya ile yedek besleme bulunur.

Batarya yuvasından gelen besleme, kart içine girmeden önce bir batarya koruma zincirinden geçirilerek sisteme verilir. Bu zincirin hedefi:

• Ters bağlantı (reverse polarity): Bataryanın yanlış bağlanması.
• Kısa devre / aşırı akım: Batarya arızası, kart içi arıza veya kablo/holder teması kaynaklı kısa devre.

senaryolarında kartı ve bataryayı korumaktır.

Koruma yapısı akış diyagramı aşağıdaki şekildedir.

---

Batarya

Amaç ve çalışma senaryosu

Bataryanın temel amacı; şebeke/adaptör enerjisinin kesildiği anı sistemin algılayıp, gerekli telemetriyi (enerji gitti / kritik alarm / son durum) gönderebilmesini sağlamaktır. R6 mimarisinde batarya, şarj/power-path entegresi üzerinden sistem hattına aktarılır.

Batarya ile çalışma senaryosu iki ana moda ayrılır:

• Kısa süreli kritik telemetri modu: Enerji kesintisi anında GSM kısa süre açılır ve kritik paket gönderilir.
• Düşük güç izleme modu: MCU ve temel ölçüm/RTC gibi bloklar aktif kalır, GSM kapalıdır.

Bu nedenle batarya seçiminde yalnız kapasite değil; ani akım kabiliyeti, iç direnç, sıcaklık dayanımı ve saha bulunabilirliği de önemlidir.

Elektriksel aralık

• Kimya: 1S Li‑ion
• Batarya gerilim aralığı:
  • Tam dolu: $V_{BAT,full}\approx 4.2\,\mathrm{V}$
  • Nominal: $V_{BAT,nom}\approx 3.6\,\mathrm{V}$
  • Düşük seviye (tasarım hedefi): $V_{BAT,low}\approx 3.0\,\mathrm{V}$

warning

Li‑ion hücrelerin $\lt 3.0\,\mathrm{V}$ altına uzun süre itilmesi kapasite kaybını hızlandırır. Bu nedenle firmware tarafında düşük batarya eşiği tanımlanmalı ve bu eşikte GSM gibi yüksek akım çeken bloklar kısıtlanmalıdır.

Enerji ve çalışma süresi (yaklaşık)

Bataryanın teorik enerji içeriği:

$E_{Wh}\approx V_{BAT,nom}\cdot C_{Ah}$

Örnek (tamamen örnek): $C=3000\,\mathrm{mAh}=3.0\,\mathrm{Ah}$ için:

$E_{Wh}\approx 3.6\,\mathrm{V}\cdot 3.0\,\mathrm{Ah}=10.8\,\mathrm{Wh}$

Yaklaşık çalışma süresi ise (ortalama akıma göre):

$t_{h}\approx \frac{C_{Ah}\cdot \eta}{I_{avg}}$

Burada $\eta$; power-path, DC/DC ve LDO kayıplarını kabaca temsil eden verim katsayısıdır (pratikte $0.7$–$0.9$ bandı).

note

GSM TX anlarındaki tepe akımlar “ortalama akım” değildir; batarya iç direnci ve hat empedansı nedeniyle kısa süreli gerilim çökmesi üretebilir. Bu yüzden holder teması, kablo kesiti ve koruma elemanlarının seri direnç ($R_{seri}$) / $R_{DS(on)}$ değerleri doğrudan saha stabilitesine etki eder.

---

Batarya Yuvası

Batarya yuvası (holder); bataryanın mekanik olarak sabitlenmesini ve elektriksel temasın sürekliliğini sağlar. Bu parça, özellikle titreşimli ortamlarda ve sıcaklık değişimlerinde zayıf seçilirse “arızaya benzer” kesintiler üretir.

Seçim kriterleri

• Hücre tipi: 1S Li‑ion (ör. 18650)
• Temas tipi: yaylı/leaf-spring temas + yeterli yüzey alanı
• Temas direnci: mümkün olduğunca düşük (yüksek akım burst’lerinde gerilim çökmesini azaltır)
• Polarite işaretleme: holder üzerinde +/– belirgin olmalı
• Montaj tipi: SMD/TH seçimi mekanik ve üretim süreçleriyle uyumlu olmalı

Yerleşim notları

• Holder; kart üzerinde mekanik yük oluşturur. Lehim padleri ve mekanik ankraj noktaları yeterli olmalıdır.
• Batarya hattı izleri geniş tutulmalı ve GND dönüşü düşük empedanslı olmalıdır.
• Holder çevresinde servis için bataryayı çıkarıp takmaya yetecek mekanik boşluk bırakılmalıdır.

Komponent seçimi

R6’da batarya bağlantısı için R5’te de kullanılan Keystone 54 batarya kontak klipsleri tercih edilecektir. Keystone 54 bir “plastik gövdeli tam holder” değil; PCB’ye lehimlenen THM (through‑hole) batarya kontak klipsidir. 1 adet 18650 hücreyi güvenli şekilde tutmak ve elektriksel temas sağlamak için genellikle iki adet kontak birlikte kullanılır (pozitif uç için 1 adet, negatif uç için 1 adet).

Bu yaklaşımın pratik avantajları:

• Mekanik olarak basit ve sahada bulunabilir.
• Temas yüzeyi geniş olduğu için burst akımlarda temas kaynaklı gerilim çökmesi riski düşer.
• THM montaj; batarya sök‑tak yüklerinde SMD pad kopması riskini azaltır.

Rol	Üretici	Önerilen PN	Adet	Açıklama
18650 batarya kontak klipsi (THM)	Keystone Electronics	54	2	1S 18650 için PCB montaj kontak (pozitif + negatif uç için 2 adet)

tip

Footprint çizimini Keystone 54 datasheet’ine göre birebir uygulayın. İki kontak arası mesafe, 18650 hücrenin boyuna toleransları ve enclosure içindeki batarya yönlendirmesi ile birlikte değerlendirilmelidir.

---

Polyfuse (PPTC)

Batarya tarafındaki koruma elemanı R6’da kesin olarak Polyfuse (PPTC) seçilmiştir. Bu elemanın amacı; batarya kısa devre edildiğinde veya kart içinde arıza oluştuğunda bataryanın yüksek akım verme kabiliyetini sınırlandırmak ve yangın/iz erimesi riskini azaltmaktır.

PPTC (resetlenebilir sigorta) davranışı özetle şöyledir:

• Normal durumda düşük dirençlidir ve hat üzerinde küçük bir gerilim düşümü oluşturur.
• Aşırı akımda ısınır, direnci hızla yükselir ve akımı sınırlar (tripped durumu).
• Arıza ortadan kalkınca ve eleman soğuyunca tekrar düşük dirence döner (recovery).

warning

PPTC “kısa devreyi çözmez”; sadece akımı sınırlar. Kısa devre devam ediyorsa PPTC tripped modda ısınır ve yüksek dirençte kalır. Arızanın giderilmesi ve soğuma süresi beklenmeden devre tekrar normale dönmez.

Boyutlandırma yaklaşımı

PPTC seçiminde iki akım seviyesi belirlenir:

• $I_{cont}$: Batarya modunda beklenen sürekli akım
• $I_{peak}$: Kısa süreli tepe akım (özellikle GSM TX burst ve/veya röle çekişleri)

PPTC’nin katalog parametreleri:

• $I_{hold}$: Trip’e girmeden taşıyabildiği akım
• $I_{trip}$: Belirli bir süre içinde trip’e girmesi beklenen akım

Genel hedefler:

• $I_{hold}(T_{max}) \gt I_{cont}$
• $I_{trip}(T_{max})$ kısa devre/ağır arıza senaryolarında hızlı tripe gidecek kadar düşük olmalı

note

$I_{hold}$ ve $I_{trip}$ değerleri sıcaklıkla azalır. Bu nedenle enclosure içi en kötü sıcaklık ($T_{max}$) için üretici “derating” eğrileri dikkate alınmalıdır.

Batarya akımı için pratik hesap

Batarya akımı, özellikle $5\,\mathrm{V}$ omurgası üzerinden çalışan yükler varken boost dönüştürücü nedeniyle artar.

Yaklaşık batarya akımı:

$I_{BAT}\approx \frac{V_{5V}\cdot I_{5V}}{V_{BAT}\cdot \eta}$

Örnek (yaklaşık):

$V_{5V}=5.0\,\mathrm{V}$

$I_{5V}=1.0\,\mathrm{A}$ (GSM aktif + sistem yükü toplamı gibi düşün)

$V_{BAT}=3.6\,\mathrm{V}$

$\eta=0.9$

$I_{BAT}\approx \frac{5.0\cdot 1.0}{3.6\cdot 0.9}=1.54\,\mathrm{A}$

Bu nedenle PPTC seçimi yalnız “ortalama akım” ile değil; boost kaynaklı batarya akım artışı ve burst senaryoları ile birlikte yapılmalıdır.

PPTC’nin hat üzerindeki gerilim düşümü ve kaybı

PPTC normal modda da bir seri direnç gibi davranır. Bu direnci $R_{PPTC,cold}$ ile gösterirsek:

$\Delta V_{PPTC}\approx I\cdot R_{PPTC,cold}$

$P_{loss}\approx I^2\cdot R_{PPTC,cold}$

tip

Batarya modunda GSM TX sırasında görülen ani voltaj çökmesinin bir kısmı PPTC + holder teması + MOSFET $R_{DS(on)}$ + hat empedansı toplamından gelir. Bu yüzden PPTC’nin “cold resistance” değeri düşük seçilmelidir.

Komponent seçimi

R6 batarya hattı için hedef; GSM TX burst’lerinde gereksiz trip üretmeyen ancak kart içi kısa devrede batarya akımını hızlıca sınırlayan bir değer seçmektir.

Bu nedenle başlangıç noktası olarak 1812 paket, $V_{max}=6\,\mathrm{V}$ sınıfında bir PPTC seçilmiştir:

Tip	Üretici	PN	Footprint	Temel değerler	Not
Polyfuse (PPTC)	Littelfuse	1812L200	1812	$I_{hold}=2.0\,\mathrm{A}$, $I_{trip}=4.0\,\mathrm{A}$, $V_{max}=6\,\mathrm{V}$	Batarya modunda burst toleransı yüksek, kısa devrede sınırlama için uygun başlangıç

note

Eğer sahada “yüksek sıcaklık + uzun süreli yüksek akım” nedeniyle istenmeyen trip gözlenirse bir üst sınıf ($I_{hold}$ artacak şekilde) seçilebilir. Tersi durumda (korumayı daha agresif yapmak istenirse) bir alt sınıf seçilmelidir.

Yerleşim ve PCB notları

• PPTC, batarya girişine (holder’a) mümkün olduğunca yakın konumlandırılmalıdır.
• PPTC çevresinde ısı üreten regülatör/modem gibi komponentlerden uzak durulmalıdır (sıcaklık derating’i azaltmak için).
• PPTC sonrası batarya hattı geniş iz + düşük empedans GND dönüşü ile taşınmalıdır.
• PPTC tripped senaryoda ısınır; yakın çevrede ısıya hassas komponentlerle mesafe bırakılmalıdır.

Saha davranışı (recovery)

PPTC tripped olduktan sonra toparlanma süresi;

• tripped anındaki akım seviyesi,
• enclosure içi sıcaklık,
• PPTC’nin bakır alanı ve ısı yayılımı

parametrelerine bağlıdır. Bu nedenle kısa devre giderilse bile PPTC’nin geri dönmesi için bir süre beklemek gerekebilir.

---

Ters Besleme Koruması

Batarya ters takıldığında, batarya hattı üzerinden karta ters polarite uygulanması hem şarj/power-path entegresine hem de ölçüm bloklarına zarar verebilir. Bu nedenle batarya hattında ters polarite koruması zorunludur.

Diyot mu MOSFET mi?

Batarya hattı düşük gerilimli olduğu için seri diyot kullanımı çalışma süresini ve stabiliteyi belirgin etkiler.

• Seri diyot düşümü: $\Delta V\approx 0.2$–$0.6\,\mathrm{V}$
• Bu düşüm; $3.0$–$4.2\,\mathrm{V}$ bandında büyük bir yüzde kayıp demektir.

Bu nedenle R6’da batarya ters polarite koruması için düşük kayıplı P‑MOSFET “ideal diode” topolojisi önerilir.

Önerilen topoloji: P‑MOSFET ideal diode (high‑side)

• Drain → holder tarafı (batarya girişi)
• Source → kart tarafı (korunan VBAT)
• Gate → GND’ye kontrollü çekilir (direnç ağı ile)

Doğru polaritede MOSFET düşük $R_{DS(on)}$ ile iletime geçer ve gerilim düşümü yaklaşık:

$\Delta V\approx I\cdot R_{DS(on)}$

Kayıp güç yaklaşık:

$P_{loss}\approx I^2\cdot R_{DS(on)}$

Örnek: $I=2\,\mathrm{A}$ ve $R_{DS(on)}=25\,\mathrm{m}\Omega$ için:

$P_{loss}=4\cdot 0.025=0.10\,\mathrm{W}$

Ters polaritede gövde diyodu ters bias olur ve MOSFET açılmadığı için akım akışı engellenir.

Gate ağı (öneri)

$R_{GS}$ (gate‑source pull‑up): gate’i source’a çekerek MOSFET’in default kapalı kalmasını sağlar.

$R_G$ (gate seri): ESD/EMI ve gate ringing’i azaltır.

$Z_{GS}$ (opsiyonel zener): $V_{GS}$’yi sınırlamak için eklenebilir.

Komponent seçimi

Batarya hattında MOSFET seçerken kritik nokta: $V_{GS}$ genellikle $-3$ ila $-4.2\,\mathrm{V}$ bandında olacağından, MOSFET’in düşük $R_{DS(on)}$ değerinin $V_{GS}=-2.5$ ila $-4.5\,\mathrm{V}$ koşullarında tatmin edici olmasıdır.

Rol	Tip	Üretici	Önerilen PN	Not
Reverse polarity MOSFET	P‑MOSFET	Alpha & Omega	AO4407A	SO‑8, yaygın; footprint uygun ise güçlü seçenek
Reverse polarity MOSFET	P‑MOSFET	Diodes Inc.	DMP3010LK3‑13	TO‑252 (DPAK), çok düşük $R_{DS(on)}$; daha büyük paket/ısı yayılımı iyi
Gate seri direnci	R	—	$100\,\Omega$ (0603/0805)	Gate ring azaltma
Gate‑source pull‑up	R	—	$100\,\mathrm{k}\Omega$ (0603/0805)	Default kapalı
Gate‑source zener (ops.)	Zener	—	$6.8\,\mathrm{V}$ sınıfı (muadil)	$V_{GS}$ koruma (opsiyonel)

warning

P‑MOSFET topolojisinde drain/source yönü kritiktir. Footprint pin mapping hatası, ters bağlantıda korumayı etkisiz bırakabilir.

Doğrulama / test noktaları

Batarya koruma zinciri devreye alındıktan sonra aşağıdaki kontroller önerilir:

1. Doğru polarite testi:

   • Batarya doğru takılıyken $V_{BAT}$ ve korunan $V_{BAT\_PROT}$ ölçülür.
   • Beklenti: $V_{BAT\_PROT}\approx V_{BAT}$ (MOSFET drop’u mV seviyesinde).

2. Ters polarite testi:

   • Batarya ters takma simülasyonu yapılır.
   • Beklenti: Kart tarafında gerilim oluşmamalı (yakın $0\,\mathrm{V}$).

3. Burst yük testi (GSM):

   • Bataryadayken GSM TX sırasında $V_{BAT\_PROT}$ çökmesi izlenir.
   • Eğer çökme belirginse; holder teması, PPTC direnci, MOSFET $R_{DS(on)}$ ve hat genişliği gözden geçirilir.

---

Tahmini maliyet analizi

Aşağıdaki maliyetler tahmini olup tedarikçi/adet/stok/kur durumuna göre değişir. Bu bölümün amacı; R6’da seçtiğimiz batarya giriş koruma zincirinin (holder + PPTC + ters polarite MOSFET + gate ağı) BOM etkisini görünür kılmaktır.

info

Bu tablo batarya hücresini (18650 Li‑ion) kapsamaz.

• Hücre maliyeti, kapasite/marka/sertifikasyon (UN38.3 vb.) ve tedarik kanalına göre çok değişir.
• Bu sayfa yalnız PCB üzerindeki mekanik bağlantı ve koruma elemanlarını özetler.

Varsayımlar

• Batarya: 1S Li‑ion $3.0\text{–}4.2\,\mathrm{V}$
• Holder: Keystone 54 kontak klipsi (THM) → 2 adet (pozitif + negatif)
• Sigorta: PPTC 1812 sınıfı
• Ters polarite: P‑MOSFET ideal diode (high‑side)
• Gate ağı: $R_G$ seri + $R_{GS}$ pull‑up

---

Seçilen komponentler ve alternatifler (özet)

Fonksiyon	Seçilen (R6 hedef)	Alternatifler	Not
18650 kontak klipsi	Keystone 54 (THM)	Keystone 52/53, tam plastik 18650 holder	THM montaj saha sök‑tak için daha dayanıklı
PPTC (polyfuse)	Littelfuse 1812L200	1812L250/300, 2920L serisi	$I_{hold}$ ve $R_{cold}$ sıcaklıkla değişir
Reverse polarity MOSFET	AO4407A (SO‑8)	DMP3010LK3‑13 (DPAK), muadil P‑MOSFET	$R_{DS(on)}$ @ $V_{GS}=-2.5\sim-4.5V$ kritik
Gate seri direnci	$R_G=100\,\Omega$	47–220Ω	EMI / ringing kontrol
Gate‑source pull‑up	$R_{GS}=100\,k\Omega$	47–220kΩ	Default kapalı davranış
Gate‑source zener (ops.)	6.8V sınıfı	5.6–8.2V	Hot‑plug/ESD şüpheli sahalarda

---

Maliyet tablosu (R6 hedef konfigürasyon)

Kalem	Adet	Prototip (1–10)	Pilot (100)	Seri (1k+)	Not
Keystone 54 kontak klipsi (THM)	2	$0.90	$0.60	$0.44	2× (pozitif + negatif)
PPTC 1812L200	1	$0.15	$0.09	$0.06	Hold/trip derating
P‑MOSFET (AO4407A)	1	$0.20	$0.12	$0.08	SO‑8 sınıfı
Gate seri R $100\,\Omega$	1	$0.002	$0.001	$0.0007	0603
Gate pull‑up $100\,k\Omega$	1	$0.002	$0.001	$0.0007	0603
TOPLAM (R6 hedef)		$1.254	$0.812	$0.581	Batarya giriş + koruma

---

Opsiyonel ekler

Opsiyon	Prototip (1–10)	Pilot (100)	Seri (1k+)	Açıklama
Gate‑source zener (6.8V)	$0.01	$0.006	$0.004	ESD/hot‑plug marjını artırmak için
Daha yüksek $I_{hold}$ PPTC	$0.02	$0.01	$0.008	Sıcak sahalarda istenmeyen trip azaltma
Tam plastik 18650 holder	$0.60	$0.40	$0.30	Mekanik tasarıma bağlı alternatif

warning

PPTC ve MOSFET seçimi, sahadaki gerçek burst akımları ve enclosure içi sıcaklık ile birlikte değerlendirilmelidir.

Batarya modunda yaşanan voltaj çökmesi çoğu zaman; holder temas direnci + PPTC $R_{cold}$ + MOSFET $R_{DS(on)}$ + iz/geri dönüş empedansı toplamından gelir.