PCB nouvelle version pour le LoRaTUBE

Contexte et remerciements

Ce log présente la deuxième version du schéma électronique du projet LoRaTube, un répéteur LoRa conçu pour offrir une autonomie de plusieurs années sur piles alcalines, même en conditions difficiles.
L’architecture a évolué : nous avons remplacé le Pi Pico par un ESP32-C3 MINI, bien plus adapté aux besoins de faible consommation.

Architecture d’alimentation

L’alimentation démarre par une entrée de 20 à 30 V, fournie par un pack de piles alcalines.
Un ensemble de protections sécurise le système :

• LM74610 (diode idéale) pour prévenir toute inversion de polarité ou retour de courant,

• SMAJ36AH (diode TVS) contre les surtensions,

• fusible polyfuse 2016L050MR limité à 500 mA en entrée,

• fusible 2 A dédié à la ligne des supercondensateurs.

La conversion principale est assurée par un MAX16956, qui fournit un rail 5 V régulé en continu.
Un TPS2553 limite le courant sur cette ligne à environ 250 mA (R_ILIM ≈ 118 kΩ) :

• Ce limiteur est indispensable, car les supercondensateurs sont positionnés en aval.

• Lors des pics de consommation du module LoRa (jusqu’à 1,3 A), ce sont les supercapa qui délivrent l’énergie.

• Lors de leur recharge, le TPS2553 garantit que le courant tiré sur les piles reste modéré (~70 mA), ce qui améliore l’autonomie, notamment avec des piles en fin de vie ou par basses températures.

La tension des supercapa est surveillée par un comparateur TLV6700 (qui remplace le MAX8212 utilisé en V1) :

• La charge s’interrompt à 4,90 V et redémarre sous 4,75 V.

• Ainsi, la tension reste stabilisée autour de 4,8 V : c’est suffisant pour le E22 tout en limitant les courants de fuite des supercapa, qui augmentent avec la tension et la température.

Le rail 3,3 V est généré par un TPS62840 ultra-low Iq à partir du 5 V. Il alimente :

• l’ESP32-C3,

• le watchdog TPL5010,

• l’horloge RTC PCF8523,

• la mémoire FRAM (I²C).

L’horloge RTC reste constamment alimentée, avec son alarme reliée à l’entrée WAKE (cette ligne est partagée avec celle du TPL5010 via un buffer open-drain).
Pour limiter la consommation, la FRAM est isolée hors phase de log ; les lignes I²C sont protégées par des MOSFET BSS138 afin d’éviter tout retour d’alimentation.

Supervision et protections

L’ESP32-C3 MINI est sous la surveillance du TPL5010 :

• un signal DONE doit être envoyé toutes les 8 secondes (le timeout est fixé à 10 secondes),

• une LED verte s’allume brièvement (100 ms) à chaque cycle, pour un impact énergétique négligeable.

Le module LoRa E22-400T33D fonctionne directement sur le 5 V délivré par les supercapa.
Il est supervisé par l’ESP32, qui pourra effectuer un hard reset matériel en cas de besoin (fonctionnalité à ajouter dans une prochaine version).

Le design intègre plusieurs mécanismes de redondance :

• l’ESP32 peut forcer la remise en route du limiteur TPS2553 via la ligne Pwr-CTRL, combinée à un OU logique (SN74LVC1G32),

• si le comparateur tombe en panne, l’ESP32 et son convertisseur analogique peuvent assurer la surveillance de la tension.

Un compteur de cycles permet de suivre l’activité du comparateur : cela permet d’évaluer la consommation résiduelle du système et de surveiller le vieillissement des supercapa (hausse des fuites).

Contraintes mécaniques et routage

Le PCB est spécifiquement dimensionné pour s’insérer dans un tube PVC de 50 mm de diamètre, avec une largeur utile de 45 mm et une longueur de 125 mm.
Tous les composants sont soudés sur la face avant, tandis que les supercapa prennent place à l’arrière.
La largeur minimale des pistes est de 0,256 mm (~10 mils).
De nombreux pads de debug ont été disposés pour faciliter le développement et la maintenance.

Connectique et interface

• Un connecteur USB-C permet la programmation de l’ESP32 et la récupération des logs lors du flashage.

• Deux boutons poussoirs donnent accès aux fonctions bootloader et reset, à la manière d’une carte de développement standard.

Étapes à venir

Je me donne jusqu’au 20 septembre pour lancer la fabrication de cette V2, le temps d’intégrer un power switch sur la ligne du E22 et de procéder à une ultime vérification.
La réalisation sera confiée à PCBWay, partenaire précieux sur ce projet.
J’espère pouvoir mener de nouveaux tests grandeur nature cet hiver, afin de valider la robustesse et l’autonomie du système dans des conditions réelles, y compris par grand froid.

Vous pouvez suivre les progrès du projet sur : https://hackaday.io/project/203696-loratube