L'histoire de la façon dont nous avons optimisé le circuit de puissance des capteurs autonomes pour la collecte, le traitement et la transmission d'informations. Ils ont réussi à réduire le coût de l'électronique, le poids du capteur et légèrement augmenté ses dimensions globales.
L'article décrit l'évolution du circuit de puissance des capteurs autonomes de collecte et de traitement des informations. Je vais essayer de parler brièvement de toutes les étapes de l'amélioration du circuit. Je vais commencer l'histoire en développant un prototype qui répond à toutes les exigences, sauf la principale. Je vais essayer d’amener le circuit aux exigences avec un minimum d’efforts, simplement en augmentant le nombre de batteries. Je décrirai la recherche et l'analyse des raisons de la non-concordance des paramètres du circuit. Dans la dernière partie, je donnerai un schéma optimisé et une comparaison avant et après.
J'espère que mon expérience sera utile lors du développement d'appareils autonomes.
Je travaille pour Uniscan Research. Nous faisons des appareils de haute technologie un produit en série. Cet article est une description du processus d'optimisation du système d'alimentation des appareils autonomes développés dans le cadre de l'un de nos projets.
Pour l'un des projets majeurs, nous devions développer un système de collecte et de traitement des informations, composé de petits capteurs avec alimentation autonome, transmettant les données recueillies à la console de l'opérateur par voie hertzienne.
Les exigences clés pour le système en cours de développement sont le poids minimum, la taille minimale des éléments, une installation simple et rapide au sol, une vitesse élevée et la fiabilité de la livraison des données, les batteries disponibles et la possibilité de les remplacer.
Exigences d'alimentation initiales
L'une des principales exigences est la durée de vie de la batterie dans la région de 240 heures, de sorte que le moins possible soit nécessaire de remplacer les batteries.
Une estimation approximative de la consommation d'énergie a été réalisée sur la base de données sur la consommation d'autres appareils autonomes. Un appareil fonctionnant sur une seule pile AA pendant 240 heures semblait tout à fait réalisable.
J'ai effectué l'évaluation initiale comme suit:
- Nous estimons la capacité des "batteries" commerciales. Nous utilisons les données de chercheurs consciencieux. Les graphiques montrent la capacité effective des batteries lorsqu'elles sont déchargées par différents courants. Colonnes bleues - la capacité des batteries lors de la décharge est minimale, dans les tests effectués, avec un courant de 200 mA. La capacité de la "batterie" moyenne est estimée à 2500 mAh, pour un courant de décharge de 200 mA.
- Nous estimons la consommation électrique d'un appareil similaire. Il existe un appareil qui consomme environ 1 mA à partir de 12 V, soit 12 mW.
- Nous calculons la durée de vie de la batterie de l'appareil. La capacité de la "batterie" était estimée à 2500 mAh, la tension nominale est de 1,5V, ainsi le temps de fonctionnement avec une consommation de 12 mW peut être calculé:
Courant de consommation = (consommation électrique) / (tension nominale) = 12 mW / 1,5 V = 8 mA
Autonomie de la batterie = (capacité, mA * h) / (consommation de courant mA) = 2500 mA / 8mA = 312 heures.
Pas moins de 300 heures. Voilà.
Les particularités de l'utilisation du système sont telles que les piles alcalines AA du commerce, les «piles à doigts», étaient les mieux adaptées au rôle de la batterie principale. L'une des principales raisons de choisir cette batterie peut être achetée dans n'importe quel magasin dans le monde.
Développement d'un prototype de circuit de puissance de capteur
Il n'est pas possible d'alimenter le circuit du capteur directement à partir de la batterie. Il est nécessaire de développer un circuit de puissance pour former les tensions nécessaires à l'électronique.
Pour ce faire, nous devons déterminer les tensions d'entrée et de sortie du circuit et la puissance requise (consommation de courant).
La détermination des tensions de sortie est simple:
- Pour alimenter le contrôleur et toute la périphérie du capteur, une tension de 3,3V est requise.
- Pour alimenter l'amplificateur RF du modem radio - 3,6V.
On peut également estimer la consommation actuelle attendue:
- Pour un bus d'alimentation 3,3 V commun, en mode veille, environ 4-6 mA.
La détermination de la tension à l'entrée du circuit n'est pas non plus difficile. La batterie principale est une "pile à doigts" alcaline:
- Tension d'entrée de 1 à 1,5 V.
Cela semble avoir fonctionné, mais il y a des nuances:
- La consommation actuelle du modem radio pendant la transmission est élevée. Une «batterie» déchargée n'est pas capable de fournir instantanément une puissance importante. La tension sur elle "diminuera", en raison de la grande résistance interne, l'appareil s'éteindra. Nous avons besoin d'un lecteur qui stocke lentement l'énergie jusqu'à ce qu'il y ait une transmission par voie aérienne. Et pendant la transmission fournit la puissance nécessaire.
- La taille des piles AA n'est pas utilisée uniquement pour les "piles" alcalines. Les batteries nickel-hydrure métallique et les batteries Saft au lithium-chlorure de thionyle sont disponibles dans la même taille. Et même des batteries Li-Ion de taille 14500, ce qui correspond à la taille des AA. Cette variété augmente la plage de tension d'entrée. Une batterie Li-Ion entièrement chargée a une tension de sortie allant jusqu'à 4,2 V.
Pour que le système d'alimentation soit complètement universel, il doit rester utilisable dans la plage de tension d'entrée de 1 à 4,2 V.
Une petite nuance apporte de sérieuses complications au schéma. La tension d'entrée peut être inférieure à la tension de sortie ou supérieure, le circuit doit pouvoir augmenter et abaisser la tension. Je n'ai pas pu trouver un microcircuit adapté qui pourrait simultanément abaisser et augmenter la tension, en raison de la très faible tension d'entrée de 1 V.J'ai développé un circuit qui a augmenté la tension d'entrée à un niveau intermédiaire de 5 V, puis l'a abaissée à la tension requise de 3,3 V.
La tension d'alimentation de 3,3 V alimente tous les éléments du circuit et un convertisseur spécialisé chargeant le supercondensateur à une tension de 4 V. Le condensateur fournit un stockage d'énergie et alimente l'émetteur radio à l'aide d'un convertisseur abaisseur-élévateur.
Avec ce schéma d'alimentation, des capteurs prototypes ont été assemblés. Le programmeur a développé un logiciel pour les capteurs. Après un long débogage et un certain nombre d'améliorations, les premiers échantillons de périphériques ont été obtenus. Les tests ont commencé.
Le temps de fonctionnement continu de l'appareil à partir d'une pile AA DuraCell TurboMAX était de 33 heures. De "super batteries", lithium "Energizer Ultimate Lithium" - 55 heures. Pour une pile alcaline conventionnelle, la durée de vie était 10 fois inférieure à celle requise.
Transition vers deux piles AA
La durée de vie de la batterie était nécessaire pour augmenter. Le moyen le plus simple consiste à augmenter le nombre de batteries. Les exigences de poids et de dimensions ont été mises en avant rigides, il a donc été possible d'augmenter le nombre d'éléments jusqu'à 2 pièces seulement.
L'augmentation du nombre de batteries a modifié les exigences du circuit de puissance. Les batteries sont connectées en série, ce qui signifie que la tension d'entrée double. C'était 1V - 4.2V, c'est devenu 2V - 8.4V.
La tension maximale admissible à l'entrée du circuit de puissance développé est déterminée par le convertisseur d'entrée et est de 5,5 V. Cela signifie que le circuit d'alimentation n'est pas adapté au capteur ou qu'il est nécessaire de limiter la portée des batteries applicables. Nous avons emprunté la deuxième voie: les batteries Li-Ion abandonnées et les batteries Saft au lithium-chlorure de thionyle. Il n'a pas été possible de repenser rapidement le schéma d'alimentation.
La mesure du temps de fonctionnement des capteurs de deux batteries sans changer le circuit de puissance a montré les résultats suivants:
- À partir de 2 batteries "Energizer Ultimate Lithium", les mêmes appareils ont fonctionné pendant environ 120 heures.
- À partir de 2 piles AA, la durée de fonctionnement «DuraCell TurboMAX» était d'environ 70 heures.
Le temps de fonctionnement continu a augmenté de 2 fois, mais n'était toujours pas satisfaisant.
La prochaine étape pour augmenter la durée de vie de la batterie était d'optimiser l'efficacité du circuit de puissance.
Mesurer l'efficacité des convertisseurs et l'efficacité globale du circuit de puissance
Dans le cadre du travail d'optimisation du circuit de puissance, j'ai réalisé un certain nombre d'études sur les convertisseurs sur lesquels le circuit est construit.
Convertisseur de boost d'entrée
Le convertisseur élévateur est basé sur le microcircuit linéaire LTC3422EDD, dans la version initiale, le convertisseur a généré une tension de sortie de 5 V:
Pour un convertisseur basé sur LTC3422EDD, j'ai mesuré les dépendances de l'efficacité sur le courant de charge du convertisseur à une tension d'alimentation du convertisseur de 1,5V et 3,0V, pour des tensions de sortie de 3,3V et 5V:
La dépendance de l'efficacité du convertisseur sur la tension d'entrée à charge constante, P = 50 mW, typique du mode de fonctionnement du capteur, avec la tension de sortie du convertisseur 3,3 V et 5 V:
L'étude de l'efficacité du convertisseur élévateur montre que l'utilisation de deux batteries et une diminution de la tension de sortie du convertisseur à 3,3 V entraînent une augmentation de l'efficacité du convertisseur jusqu'à 20% pour une consommation électrique typique de 50 mW. Lorsque vous utilisez 1 batterie et une tension de sortie de 5 V, le rendement est d'environ 70% (graphique rouge sur la figure 1., le courant de sortie est de 5 à 14 mA). Lorsque vous utilisez 2 batteries et réduisez la tension de sortie à 3,3 V, le rendement atteint 89% (graphique bleu sur la figure 2., le courant de sortie est de 5 à 19 mA).
Vous pouvez également vous attendre à une efficacité améliorée sur toute la gamme de batteries. Pour une batterie, la plage de tension de fonctionnement est de 0,9 à 1,5 V. La meilleure efficacité pour une batterie neuve, selon le graphique de la Fig. 3 est 69%. Alors que la pire valeur d'efficacité, lors de l'utilisation de deux batteries déchargées avec une tension résiduelle de 1,1 V + 1,1 V = 2,2 V, sera sur le graphique de la Fig. 3 environ 79%. Pour un ensemble de batteries neuves, le rendement attendu peut atteindre 84%.
La capacité de charge du convertisseur augmente également lors de l'utilisation de 2 batteries. Pour une batterie, le rendement chute considérablement lorsque la consommation de courant est supérieure à 20 mA, tandis que lors de l'utilisation de 2 batteries, le convertisseur maintient une valeur élevée d'efficacité à un courant de charge supérieur à 100 mA.
La réduction de la tension de sortie du convertisseur élévateur à 3,3 V augmente le temps de fonctionnement continu de 20%, en raison d'une augmentation de l'efficacité du convertisseur.
La réduction de la tension de sortie augmente également la capacité de charge du convertisseur.
De plus, j'ai estimé la dépendance de l'efficacité sur le courant de charge du convertisseur lorsque la tension de sortie est réduite à 3,3 V:
Lorsque vous utilisez 2 batteries et réduisez la tension de sortie à 3,3 V, non seulement une augmentation de l'efficacité est obtenue, mais également une augmentation de la capacité de charge du convertisseur de plus de 2 fois.
Convertisseur abaisseur 3,3 V
Le convertisseur abaisseur est basé sur la puce linéaire LTC3406. Dans la version initiale, le convertisseur générait une tension de 3,3 V à partir d'une tension intermédiaire de 5 V en sortie:
Pour un convertisseur basé sur LTC3406, j'ai mesuré la dépendance de l'efficacité sur le courant de charge
à une tension d'entrée de 5V.
L'évaluation de l'efficacité du convertisseur, formant une tension d'alimentation de 3,3 V, a montré une valeur d'environ 70% à un courant de consommation de 50 mW caractéristique du mode de fonctionnement principal.
Évaluation de l'efficacité globale du circuit de puissance
Pour l'exécution initiale du circuit de puissance, une estimation du rendement est obtenue en multipliant le rendement du convertisseur élévateur et le rendement du convertisseur 3,3V.
Si vous utilisez 2 batteries, réduisez la tension de sortie du convertisseur boost à 3,3V et excluez le convertisseur qui a formé 3,3V auparavant, l'efficacité du circuit de puissance sera égale à l'efficacité du convertisseur boost:
** Nous obtenons les actions nécessaires pour optimiser le schéma:
- Utilisez 2 piles.
- Convertissez le convertisseur boost en tension de sortie 3,3V.
- Exclure le convertisseur buck. **
Schéma de puissance optimisé
Sur la base des résultats de la recherche, j'ai développé un schéma de puissance de capteur simplifié mais plus optimal:
Deux batteries connectées en série sont connectées à un convertisseur élévateur, qui génère une tension d'alimentation de 3,3 V pour alimenter l'ensemble de l'électronique de l'appareil. Un convertisseur spécialisé charge le supercondensateur, à partir duquel l'amplificateur RF est alimenté pendant la transmission dans l'air via le convertisseur buck-boost.
Le temps de fonctionnement continu de l'appareil a augmenté de plus de 2,5 fois et a atteint une durée de vie de batterie acceptable de 120 heures à partir de "piles" ordinaires. Lorsque vous utilisez des batteries au lithium, la durée de vie de la batterie "Energizer Ultimate Lithium" atteint 200 heures.
Résultats d'optimisation
D'après mon expérience, le circuit d'alimentation des appareils fonctionnant de manière autonome est toujours un compromis entre la fonctionnalité requise et la durée de vie de la batterie. J'ai pu augmenter la durée de vie de la batterie 4 fois grâce au rejet de l'universalité. Nous avons exclu les batteries chères et rares. Dans le même temps, nous avons conservé l'exigence, que nous avons jugée importante - les piles sont utilisées «en magasin». Pour prolonger la durée de vie de la batterie, vous pouvez utiliser des batteries commerciales plus rares et plus chères mais toujours facilement accessibles.
Le développement de dispositifs uniques est toujours une évaluation de nombreuses options de mise en œuvre. Trouver un compromis entre la fonctionnalité complète, le coût, la fiabilité et la complexité de la mise en œuvre technique est la tâche principale de l'ingénieur.