Tehnici analogice pentru o durată de viaţă mai mare a bateriilor

3 OCTOMBRIE 2014

Obţinerea unei durate de viaţă maxime de la o baterie necesită înţelegerea a 3 factori cheie: tehnologiile bateriilor, management energetic digital şi tehnici analogice de joasă putere.
În vreme ce majoritatea proiectanţilor sunt familiarizaţi cu avantajele şi slăbiciunile diferitelor chimii de baterii şi cu controlul energetic digital, totuşi sunt mai puţin familiarizaţi cu rolul pe care analogicul de joasă putere îl poate juca în extinderea duratei de viaţă a bateriei.

de Kevin Tretter, Microchip Technology Inc.

Chimia bateriilor

Una dintre deciziile cheie ale proiectanţilor de electronice portabile o reprezintă alegerea tehnologiei bateriilor. Cele patru chimii principale de baterii sunt: alcaline, NiCd (Nichel-Cadmiu), NiMH (Nichel Metal Hydride) şi Litiu Ion (Li-Ion). Fiecare dintre acestea au propriile avantaje şi neajunsuri.
În mod tipic, o celulă de baterie alcalină complet încărcată va produce o tensiune de aproximativ 1,5V. Această tensiune va descreşte pe măsură ce energia bateriei este utilizată, astfel încât, la o utilizare de 90%, tensiunea bateriei va ajunge la aproximativ 0,9V. Combinaţia dintre capacitatea relativ mare şi o rezistenţă internă ridicată, face ca bateriile alcaline să fie ineficiente pentru aplicaţii de curenţi înalţi precum maşini cu comandă de la distanţă, unităţi de bliţuri pentru camere şi scule de putere.
Pentru aceste aplicaţii de curent ridicat, celulele de baterii NiCd oferă o opţiune foarte durabilă şi economică, furnizând o tensiune nominală de 1,2V, ce scade la aproximativ 0,9V la sfârşitul duratei de viaţă a bateriei. Neajunsurile acestor baterii sunt legate de densitatea energetică relativ redusă şi prezenţa de metale toxice. Suplimentar, este necesară o descărcare completă periodică pentru a preveni formarea de cristale mari pe terminalele bateriei, afectând atât durata de viaţă, cât şi performanţele.
Prin contrast, celulele de baterii NiMH sunt mult mai prietenoase cu mediul şi furnizează o densitate de energie cu aproximativ 40% mai multă decât bateriile NiCd. Tensiunea lor nominală este în jur de 1,25V şi va scădea la sub 1V la sfârşitul duratei de viaţă a bateriei. Dezavantajele bateriilor NiMH sunt viteza considerabilă de auto-descărcare şi lipsa de durabili­tate prin comparaţie cu NiCd, cauzate de cicluri de sarcini dificile şi valori extreme de temperatură.
Pentru majoritatea dispozitivelor electronice portabile, tipul de baterie dominantă este acum Li-Ion.
O singură celulă Li-Ion complet încărcată dispune de o tensiune în circuit deschis de aproximativ 3,6V, scăzând la aproximativ 2,7V când bateria este complet consumată. Avantajele utilizării bateriilor Li-Ion sunt: masă mai redusă, tensiune mai ridicată pe celulă şi, cu versiunile Li-Polimer, abilitatea de a lua diferite forme. Avantajele suplimentare sunt acelea că densitatea de energie a bateriilor Li-Ion şi Li-Polimer continuă să crească, ajungând la ora actuală la aproxi­mativ de două ori faţă de o baterie standard NiCd, în vreme ce costul lor scade. Principalul dezavantaj al acestei chimii este riscul că pot exploda dacă sunt supraîncărcate. Această îngrijorare legată de siguranţă înseamnă că unii producători optează pentru soluţii NiMH, în special acolo unde dimensiunea şi masa nu sunt factori critici.

Convertoare DC-DC

Înţelegerea arhitecturii convertoarelor DC-DC este esenţială pentru optimizarea performanţelor globale ale unui proiect şi, în mod tipic, alegerea se va face între stabilizatoare liniare, stabilizatoare în comutaţie şi pompe de încărcare (charge pumps).
Există câteva tipuri de stabilizatoare liniare, cel mai adesea utilizat în aplicaţii cu alimentare de la baterii fiind stabilizatorul LDO (stabilizator cu cădere mică de tensiune). Acest tip de stabilizator utilizează un tranzistor de trecere cu canal P ca rezistenţă variabilă cu reacţie pentru stabilizarea unei tensiuni de ieşire date.
Prin comparaţie, un stabilizator în comutaţie utilizează o diodă, un inductor şi un comutator pentru a transfera energia de la intrare şi a furniza o ieşire dată configurată într-o topologie coborâtoare de tensiune, ridicătoare de tensiune sau coborâtoare / ridicătoare de tensiune. Un stabilizator coborâtor de tensiune furnizează o tensiune de ieşire mai mică decât tensiunea de intrare, ceea ce este similar cu funcţia unui LDO; un stabilizator în comutaţie ridicător de tensiune furnizează o tensiune de ieşire mai mare decât cea de intrare; în vreme ce, un stabilizator ridicător/coborâtor de tensiune furnizează o tensiune stabilizată pe o plajă de tensiune de intrare mai mare sau mai mică decât tensiunea de ieşire.

Tabel 1: Analiza diferitelor topologii de convertoare DC-DC

Al treilea tip de stabilizator, pompă de încărcare (charge pump), utilizează ca dispozitiv de stocare a energiei un condensator şi are comutatoare pentru conectarea terminalelor condensatorului la tensiunea de intrare. În funcţie de topologia circuitului, un astfel de stabilizator poate dubla, tripla, inversa, înjumătăţi sau chiar crea o tensiune de ieşire arbitrară stabilizată. Utilizarea condensatoarelor de încărcare şi descărcare pentru transferarea energiei, înseamnă că o pompă de încărcare furnizează un curent de ieşire relativ mic, nu mai mult decât câteva sute de mA.
Tabelul 1 prezintă avantajele şi dezavantajele fiecăreia dintre aceste topologii de convertoare DC-DC, iar alegerea soluţiei optime va depinde de parametrii fiecărei aplicaţii. Pentru aplicaţii în care este prioritară o durată mare de viaţă a bateriei, cea mai bună alegere poate fi un stabilizator în comutaţie de înaltă eficienţă, în vreme ce, în aplicaţii cu un înalt nivel de zgomot electric, alegerea tipică va fi un stabilizator liniar. Totuşi, fiecare aplicaţie va necesita o analiză a circui­tului de management energetic dacă performanţele sistemului sunt atinse.
Conversia DC-DC oferă un număr de tehnici de extindere a duratei de viaţă a unei baterii. De exemplu, în figura 1, este prezentată plasarea unor condensatoare la intrarea şi ieşirea unui convertor DC-DC. În această configuraţie, stabilizatorul în comutaţie utilizat pentru a deschide şi închide un comutator de intrare poate cauza pierderi de curent pe pinul de intrare. Acestea pot fi diminuate prin utilizarea unui condensator de intrare mare ca buffer de încărcare. Timpul de funcţionare al bateriei poate fi afectat, în funcţie de chimia bateriei. Rezistenţa internă poate deveni semnificativă, iar curentul prin baterie poate cauza căderi apreciabile de tensiune pe celula bateriei. Un condensator mare pe intrare, plasat între baterie şi comutator, va reduce curentul instantaneu consumat şi căderea de tensiune pe baterie rezultată. Prin minimizarea acestor căderi de tensiune, timpul de funcţionare al bateriei poate fi extins înainte de atingerea tensiunii minime pe celula bateriei.

Plasarea unor condensatoare de intrare şi ieşire pentru un stabilizator în comutaţie

În aplicaţiile de joasă putere ce petrec un timp semnificativ în mod de aşteptare (standby) sau mod de adormire (sleep) poate să nu fie necesară funcţionarea în permanenţă a stabilizatorului. Aici, utilizarea unui condensator de ieşire mare care să alimenteze curentul mic solicitat de sarcină poate fi mai eficient energetic. Prin ciclurile pornit/oprit ale stabilizatorului, condensatorul se încarcă după cum este necesar.

Management energetic digital

Scalarea dinamică a tensiunii este o altă tehnică uzuală pentru maximizarea timpului de funcţionare al bateriei. Atunci când operează la o tensiune mai mică, o sarcină digitală, precum un microcontroler, necesită mai puţin curent şi de aceea consumă mai puţină ener­gie. Neajunsul este că operarea la o tensiune mai mică poate limita viteza de procesare şi capabilităţile de ieşire. Scalarea dinamică a tensiunii permite microcontrolerului să combine tensiunea redusă şi consumul ener­getic redus, atunci când sistemul se află în standby sau sleep, cu o creştere la o tensiune mai ridicată pentru procesare sau transfer de informaţie. Această tehnică este utilizată pe scară largă în sistemele de calcul şi multe alte aplicaţii alimentate de la baterii, în care microcontrolerul operează în diferite moduri.
Timpul de rulare versus timpul de standby sau sleep pentru fiecare aplicaţie va influenţa de asemenea timpul de funcţionare al bateriei. În vreme ce aplicaţiile precum detectoarele de dioxid de carbon necesită în mod tipic o funcţionare continuă, altele pot rămâne în mod standby sau sleep până când este nevoie. Printre exemplele de aplicaţii cu operare intermitentă pot fi enumerate: debitmetre inteligente pentru apă, sisteme de control de la distanţă şi detectoare de fum bazate pe fotodetecţie.

Management energetic analogic

Există vaste resurse online cu scop de a ajuta proiec­tanţii să înţeleagă şi să gestioneze puterea digitală prin utilizarea de diferite moduri de operare oferite de micro­controlere, prin pornirea şi oprirea diferitelor peri­ferice integrate după cum este sau nu nevoie de ele. Impactul rulării continue a microcontrolerului, sau punerea lui în mod sleep şi trezirea lui pentru operarea activă este de asemenea bine documentată.
Atunci când este vorba despre gestionarea bugetului energetic pentru componente analogice, alegerea nu mai este aşa de clară. În vreme ce pentru sisteme ce utilizează operare activă continuă este critică utilizarea de circuite integrate analogice cu cei mai mici curenţi activi, aplicaţiile ce se desfăşoară în cicluri necesită de asemenea stabilirea unor timpi în relaţie directă cu consumul de curent. Se poate ca un dispozitiv mai rapid de curent mai ridicat să poată oferi o eficienţă mai mare pe termen lung decât o alternativă de curent mai mic, dar cu timpi de răspuns mai mari.
Alegerea tehnologiei de baterie corecte şi a tehnicilor de management energetic digital sunt consi­deraţii familiare proiectanţilor atunci când doresc extinderea duratei de viaţă a bateriilor. Implementarea tehnicilor analogice de joasă putere este adesea mai puţin familiară, dar poate juca un rol semnificativ în extinderea vieţii bateriei şi asigurarea performanţelor optime ale sistemului.

Microchip Technology
www.microchip.com

Microchip Technology
www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre