La historia de cómo optimizamos el circuito de alimentación de sensores autónomos para recopilar, procesar y transmitir información. Lograron una reducción en el costo de la electrónica, el peso del sensor y aumentaron ligeramente sus dimensiones generales.
El artículo describe la evolución del circuito de alimentación de sensores autónomos para recopilar y procesar información. Trataré de hablar brevemente sobre todas las etapas para mejorar el circuito. Comenzaré la historia desarrollando un prototipo que cumpla con todos los requisitos, excepto el principal. Hablaré sobre tratar de llevar el circuito a los requisitos con el mínimo esfuerzo, simplemente aumentando el número de baterías. Describiré la búsqueda y el análisis de los motivos de la falta de coincidencia de los parámetros del circuito. En la parte final, daré un esquema optimizado y una comparación antes y después.
Espero que mi experiencia sea útil cuando desarrolle dispositivos autoalimentados.
Yo trabajo para Uniscan Research. Hacemos que los dispositivos de alta tecnología sean un producto en serie. Este artículo es una descripción del proceso de optimización del sistema de alimentación de dispositivos independientes desarrollado como parte de uno de nuestros proyectos.
Para uno de los principales proyectos, necesitábamos desarrollar un sistema para recopilar y procesar información, que consistiera en pequeños sensores con fuente de alimentación autónoma, que transmitan los datos recopilados a la consola del operador por el aire.
Los requisitos clave para el sistema en desarrollo son el peso mínimo, el tamaño mínimo de los elementos, la instalación simple y rápida en el suelo, la alta velocidad y confiabilidad de la entrega de datos, las baterías disponibles y la posibilidad de reemplazarlas.
Requisitos iniciales de energía
Uno de los requisitos principales es la duración de la batería en la región de 240 horas, por lo que lo menos posible es necesario reemplazar las baterías.
Se realizó una estimación aproximada del consumo de energía sobre la base de datos sobre el consumo de otros dispositivos independientes. Un dispositivo que funciona con una sola batería AA durante 240 horas parecía bastante factible.
Realicé la evaluación inicial de la siguiente manera:
- Vamos a evaluar la capacidad de las "baterías" comerciales. Utilizamos los datos de investigadores concienzudos. Los gráficos muestran la capacitancia efectiva de las baterías cuando se descargan por diferentes corrientes. Columnas azules: la capacidad de las baterías durante la descarga es mínima, en las pruebas realizadas, con una corriente de 200 mA. La capacidad de la "batería" promedio se estima en 2500 mAh, para una corriente de descarga de 200 mA.
- Estimamos el consumo de energía de un dispositivo similar. Hay un dispositivo que consume aproximadamente 1 mA de 12 V, que es de 12 mW.
- Calculamos la duración de la batería del dispositivo. La capacidad de la "batería" se estimó en 2500 mAh, el voltaje nominal es de 1.5V, por lo tanto, el tiempo de funcionamiento con un consumo de 12 mW se puede calcular:
Consumo de corriente = (Consumo de energía) / (voltaje nominal) = 12mW / 1.5V = 8 mA
Duración de la batería = (Capacidad, mA * h) / (consumo de corriente mA) = 2500 mA / 8mA = 312 horas.
No menos de 300 horas. Ahí tienes.
La especificación del uso del sistema es que las baterías alcalinas AA comerciales, "baterías de dedo", eran las más adecuadas para el papel de la batería principal. Una de las principales razones para elegir esta batería se puede comprar en cualquier tienda del mundo.
Desarrollo de un prototipo de circuito de alimentación del sensor.
No es posible alimentar el circuito del sensor directamente desde la batería. Es necesario desarrollar un circuito de alimentación para formar los voltajes necesarios para la electrónica.
Para hacer esto, necesitamos determinar los voltajes de entrada y salida del circuito y la potencia requerida (consumo de corriente).
Determinar los voltajes de salida es simple:
- Para alimentar el controlador y toda la periferia del sensor, se requiere un voltaje de 3.3V.
- Para alimentar el amplificador de RF del módem de radio - 3.6V.
También podemos estimar el consumo actual esperado:
- Para un bus de alimentación común de 3.3V, en modo de espera, aproximadamente 4-6 mA.
Determinar el voltaje en la entrada del circuito tampoco es difícil. La batería principal es una "batería de dedo" alcalina:
- Voltaje de entrada de 1 a 1.5V.
Parece haber funcionado, pero hay matices:
- El consumo actual del radio módem durante la transmisión es alto. Una "batería" descargada no es capaz de entregar al instante una potencia significativa. El voltaje en él "disminuirá", debido a la gran resistencia interna, el dispositivo se apagará. Necesitamos una unidad que almacene lentamente energía hasta que haya una transmisión por el aire. Y durante la transmisión proporciona la potencia necesaria.
- El tamaño de las pilas AA se utiliza no solo para las "pilas" alcalinas. Las baterías de hidruro de níquel-metal y las baterías de cloruro de litio-tionilo Saft están disponibles en el mismo tamaño. E incluso baterías de iones de litio de tamaño 14500, que corresponde al tamaño de AA. Esta variedad aumenta el rango de voltaje de entrada. Una batería de iones de litio completamente cargada tiene un voltaje de salida de hasta 4.2V.
Para que el sistema de alimentación sea completamente universal, debe permanecer operativo en el rango de voltaje de entrada de 1 a 4.2V.
Un pequeño matiz trae serias complicaciones al esquema. El voltaje de entrada puede ser más bajo que el voltaje de salida o más alto, el circuito debe poder aumentar el voltaje y bajarlo. No pude encontrar un microcircuito adecuado que pudiera bajar y aumentar el voltaje simultáneamente, debido al muy bajo voltaje de entrada de 1 V.Desarrollé un circuito que aumentó el voltaje de entrada a un nivel intermedio de 5V, y luego lo bajó al voltaje requerido de 3.3V.
El voltaje de suministro de 3.3V suministra todos los elementos del circuito y un convertidor especializado que carga el supercondensador a un voltaje de 4V. El condensador proporciona almacenamiento de energía y proporciona energía al transmisor de radio utilizando un convertidor buck-boost.
Con este esquema de energía, se ensamblaron sensores prototipo. El programador ha desarrollado software para sensores. Después de una larga depuración y una serie de mejoras, se obtuvieron las primeras muestras de dispositivos. Las pruebas comenzaron.
El tiempo de funcionamiento continuo del dispositivo con una batería AA DuraCell TurboMAX fue de 33 horas. De "superbaterías", litio "Energizer Ultimate Lithium" - 55 horas. Para una batería alcalina convencional, el tiempo de vida fue 10 veces menor al requerido.
Transición a dos pilas AA
La duración de la batería era necesaria para aumentar. La forma más fácil es aumentar la cantidad de baterías. Los requisitos de peso y dimensiones se presentaron rígidos, por lo que fue posible aumentar el número de elementos solo hasta 2 piezas.
El aumento en el número de baterías ha cambiado los requisitos para el circuito de alimentación. Las baterías están conectadas en serie, lo que significa que el voltaje de entrada se duplica. Fue 1V - 4.2V, se convirtió en 2V - 8.4V.
El convertidor de entrada determina el voltaje máximo permitido en la entrada del circuito de potencia desarrollado y es de 5.5V. Esto significa que el circuito de alimentación no es adecuado para el sensor o que es necesario limitar el rango de baterías aplicables. Tomamos el segundo camino: baterías de iones de litio abandonadas y baterías de cloruro de litio-tionilo Saft. No fue posible rediseñar rápidamente el esquema de energía.
La medición del tiempo de funcionamiento de los sensores de dos baterías sin cambiar el circuito de alimentación mostró los siguientes resultados:
- A partir de 2 baterías "Energizer Ultimate Lithium", los mismos dispositivos funcionaron durante aproximadamente 120 horas.
- A partir de 2 baterías, el tiempo de funcionamiento AA "DuraCell TurboMAX" fue de aproximadamente 70 horas.
El tiempo de operación continua aumentó 2 veces, pero aún no fue satisfactorio.
El siguiente paso para aumentar la duración de la batería fue optimizar la eficiencia del circuito de alimentación.
Medición de la eficiencia de los convertidores y la eficiencia general del circuito de alimentación.
Como parte del trabajo para optimizar el circuito de alimentación, realicé una serie de estudios de los convertidores en los que está construido el circuito.
Convertidor de refuerzo de entrada
El convertidor de refuerzo se basa en el microcircuito lineal LTC3422EDD, en la versión inicial el convertidor generó un voltaje de salida de 5V:
Para un convertidor basado en LTC3422EDD, medí las dependencias de la eficiencia en la corriente de carga del convertidor a un voltaje de suministro del convertidor de 1.5V y 3.0V, para voltajes de salida de 3.3V y 5V:
La dependencia de la eficiencia del convertidor de la tensión de entrada a carga constante, P = 50 mW, típica del modo de funcionamiento del sensor, con la tensión de salida del convertidor 3.3V y 5V:
El estudio de la eficiencia del convertidor elevador muestra que el uso de dos baterías y una disminución en el voltaje de salida del convertidor a 3.3V conduce a un aumento en la eficiencia del convertidor de hasta un 20% para un consumo de energía típico de 50 mW. Cuando se usa 1 batería y un voltaje de salida de 5V, la eficiencia es de aproximadamente 70% (gráfico rojo en la Fig. 1., la corriente de salida es de 5 a 14 mA). Cuando se usan 2 baterías y se reduce el voltaje de salida a 3.3V, la eficiencia alcanza el 89% (gráfico azul en la Fig. 2., la corriente de salida es de 5 a 19 mA).
También puede esperar una mayor eficiencia en toda la gama de baterías. Para una batería, el rango de voltaje de operación es 0.9-1.5V. La mejor eficiencia para una batería nueva, según el gráfico de la Fig. 3 es 69%. Mientras que el peor valor de eficiencia, cuando se usan dos baterías descargadas con un voltaje residual de 1.1V + 1.1V = 2.2V, estará en el gráfico de la Fig. 3 alrededor del 79%. Para un conjunto de baterías nuevas, la eficiencia esperada es de hasta 84%.
La capacidad de carga del convertidor también aumenta cuando se usan 2 baterías. Para una batería, la eficiencia disminuye significativamente cuando el consumo de corriente es superior a 20 mA, mientras que cuando se utilizan 2 baterías, el convertidor mantiene un alto valor de eficiencia con una corriente de carga de más de 100 mA.
La reducción del voltaje de salida del convertidor elevador a 3.3V aumenta el tiempo de operación continua en un 20%, debido a un aumento en la eficiencia del convertidor.
La reducción del voltaje de salida también aumenta la capacidad de carga del convertidor.
Además, estimé la dependencia de la eficiencia en la corriente de carga del convertidor cuando el voltaje de salida se reduce a 3.3V:
Cuando se usan 2 baterías y se reduce el voltaje de salida a 3.3V, no solo se logra un aumento en la eficiencia, sino también un aumento en la capacidad de carga del convertidor en más de 2 veces.
Convertidor de 3.3V
El convertidor buck se basa en el chip lineal LTC3406. En la versión inicial, el convertidor generó un voltaje de 3.3 V a partir de un voltaje intermedio de 5 V en la salida:
Para un convertidor basado en LTC3406, medí la dependencia de la eficiencia de la corriente de carga
a un voltaje de entrada de 5V.
La evaluación de la eficiencia del convertidor, que forma un voltaje de suministro de 3.3V, mostró un valor de aproximadamente 70% a una corriente de consumo de 50 mW característica del modo principal de operación.
Evaluación de la eficiencia general del circuito de alimentación.
Para la ejecución inicial del circuito de alimentación, se obtiene una estimación de la eficiencia multiplicando la eficiencia del convertidor de refuerzo y la eficiencia del convertidor de 3.3V.
Si usa 2 baterías, reduzca el voltaje de salida del convertidor elevador a 3.3V y excluya el convertidor que formó 3.3V antes, la eficiencia del circuito de alimentación será igual a la eficiencia del convertidor elevador:
** Obtenemos las acciones necesarias para optimizar el esquema:
- Use 2 baterías.
- Convierta el convertidor boost a un voltaje de salida de 3.3V.
- Excluir convertidor de dinero. **
Esquema de energía optimizado
En base a los resultados de la investigación, desarrollé un esquema de potencia del sensor simplificado pero más óptimo:
Dos baterías conectadas en serie están conectadas a un convertidor elevador, que genera un voltaje de suministro de 3.3V para alimentar toda la electrónica del dispositivo. Un convertidor especializado carga el supercondensador, desde el cual se alimenta el amplificador de RF durante la transmisión por aire a través del convertidor buck-boost.
El tiempo de funcionamiento continuo del dispositivo se ha incrementado en más de 2.5 veces y ha alcanzado una duración de batería aceptable de 120 horas con respecto a las "baterías de dedo" normales. Cuando se usan baterías de litio, la duración de la batería "Energizer Ultimate Lithium" alcanzó las 200 horas.
Resultados de optimización
En mi experiencia, el circuito de alimentación de los dispositivos que funcionan de manera autónoma es siempre un compromiso entre la funcionalidad requerida y la duración de la batería. Pude aumentar 4 veces la duración de la batería a través del rechazo de la universalidad. Descartamos baterías caras y raras. Al mismo tiempo, mantuvimos el requisito, que consideramos importante: las baterías se usan "de la tienda". Para obtener más duración de la batería, puede usar baterías comerciales más raras y costosas, pero aún de fácil acceso.
El desarrollo de dispositivos únicos es siempre una evaluación de muchas opciones de implementación. Encontrar un compromiso entre la funcionalidad completa, el costo, la confiabilidad y la complejidad de la implementación técnica es la tarea principal del ingeniero.