Kisah tentang bagaimana kami mengoptimalkan rangkaian daya sensor otonom untuk mengumpulkan, memproses, dan mentransmisikan informasi. Mereka mencapai pengurangan dalam biaya elektronik, berat sensor dan sedikit meningkatkan dimensi keseluruhannya.
Artikel ini menjelaskan evolusi rangkaian daya sensor otonom untuk mengumpulkan dan memproses informasi. Saya akan mencoba untuk berbicara secara singkat tentang semua tahap meningkatkan sirkuit. Saya akan memulai ceritanya dengan mengembangkan prototipe yang memenuhi semua persyaratan, kecuali yang utama. Saya akan berbicara tentang mencoba membawa rangkaian ke persyaratan dengan upaya minimal, hanya dengan menambah jumlah baterai. Saya akan menjelaskan pencarian dan analisis alasan ketidakcocokan parameter rangkaian. Pada bagian akhir, saya akan memberikan skema dan perbandingan yang dioptimalkan sebelum dan sesudah.
Saya harap pengalaman saya berguna ketika mengembangkan perangkat mandiri.
Saya bekerja untuk Penelitian Uniscan. Kami menjadikan perangkat berteknologi tinggi sebagai produk seri. Artikel ini adalah deskripsi proses mengoptimalkan sistem daya perangkat yang berdiri sendiri yang dikembangkan sebagai bagian dari salah satu proyek kami.
Untuk salah satu proyek utama, kami perlu mengembangkan sistem untuk mengumpulkan dan memproses informasi, yang terdiri dari sensor kecil dengan catu daya otonom, mentransmisikan data yang dikumpulkan ke konsol operator melalui udara.
Persyaratan utama untuk sistem yang sedang dikembangkan adalah bobot minimum, ukuran elemen minimum, instalasi sederhana dan cepat di darat, kecepatan tinggi dan keandalan pengiriman data, baterai yang tersedia dan kemungkinan untuk menggantinya.
Persyaratan Daya Awal
Salah satu persyaratan utama adalah usia baterai di wilayah 240 jam, sehingga sesedikit mungkin ada kebutuhan untuk mengganti baterai.
Perkiraan kasar konsumsi daya dilakukan berdasarkan data pada konsumsi perangkat yang berdiri sendiri lainnya. Perangkat yang menggunakan baterai AA tunggal selama 240 jam tampaknya cukup layak.
Saya melakukan penilaian awal sebagai berikut:
- Mari kita evaluasi kapasitas "baterai" komersial. Kami menggunakan data peneliti yang teliti. Grafik menunjukkan kapasitansi baterai yang efektif ketika habis oleh berbagai arus. Kolom biru - kapasitas baterai saat pemakaian minimal, dalam pengujian yang dilakukan, dengan arus 200 mA. Kapasitas "baterai" rata-rata diperkirakan 2.500 mAh, untuk debit saat ini 200 mA.
- Kami memperkirakan konsumsi daya perangkat yang serupa. Ada perangkat yang mengkonsumsi sekitar 1 mA dari 12V, yaitu 12mW.
- Kami menghitung masa pakai baterai perangkat. Kapasitas "baterai" diperkirakan 2.500 mAh, tegangan nominal adalah 1.5V, dengan demikian, waktu operasi dengan konsumsi 12 mW dapat dihitung:
Arus konsumsi = (Konsumsi daya) / (nilai tegangan) = 12mW / 1.5V = 8 mA
Daya tahan baterai = (Kapasitas, mA * h) / (konsumsi saat ini mA) = 2500 mA / 8mA = 312 jam.
Tidak kurang dari 300 jam. Itu dia.
Spesifik menggunakan sistem ini adalah bahwa baterai alkaline AA komersial, "baterai jari," paling cocok untuk peran baterai utama. Salah satu alasan utama untuk memilih baterai ini dapat dibeli di toko mana pun di dunia.
Pengembangan sirkuit daya sensor prototipe
Tidak mungkin untuk memberi daya rangkaian sensor langsung dari baterai. Hal ini diperlukan untuk mengembangkan rangkaian daya untuk membentuk tegangan yang diperlukan untuk elektronik.
Untuk melakukan ini, kita perlu menentukan tegangan input dan output dari rangkaian dan daya yang diperlukan (konsumsi saat ini).
Menentukan tegangan output sederhana:
- Tegangan 3.3V diperlukan untuk memberi daya pada pengontrol dan seluruh bagian luar sensor.
- Untuk menghidupkan amplifier RF modem radio - 3.6V.
Kami juga dapat memperkirakan konsumsi saat ini yang diharapkan:
- Untuk bus daya 3.3V yang umum, dalam mode siaga, sekitar 4-6 mA.
Menentukan voltase pada input rangkaian juga tidak sulit. Baterai utama adalah "baterai jari" alkali:
- Tegangan input dari 1 hingga 1.5V.
Tampaknya sudah berhasil, tetapi ada nuansa:
- Konsumsi modem radio saat ini selama transmisi tinggi. "Baterai" yang habis tidak mampu menghasilkan daya signifikan secara instan. Tegangan di atasnya akan "mereda", karena hambatan internal yang besar, perangkat akan mati. Kami membutuhkan penggerak yang secara perlahan menyimpan energi sampai ada transmisi di udara. Dan selama transmisi memberikan daya yang diperlukan.
- Ukuran baterai AA tidak hanya digunakan untuk "baterai" alkali. Baterai nikel-logam hidrida dan baterai lithium-thionyl chloride Saft tersedia dalam ukuran yang sama. Dan bahkan baterai Li-Ion ukuran 14500, yang sesuai dengan ukuran AA. Variasi ini meningkatkan kisaran tegangan input. Baterai Li-Ion yang terisi penuh memiliki tegangan output hingga 4.2V.
Agar sistem tenaga sepenuhnya universal, ia harus tetap beroperasi dalam kisaran tegangan input dari 1 hingga 4.2V.
Nuansa kecil membawa komplikasi serius ke skema. Tegangan input dapat lebih rendah dari tegangan output atau lebih tinggi, rangkaian harus dapat meningkatkan tegangan dan menurunkannya. Saya tidak dapat menemukan microcircuit yang cocok yang dapat secara bersamaan menurunkan dan meningkatkan tegangan, karena tegangan input yang sangat rendah dari 1 V. Saya mengembangkan sirkuit yang meningkatkan tegangan input ke level menengah 5V, dan kemudian menurunkannya ke tegangan yang diperlukan 3.3V.
Tegangan suplai 3,3V memasok semua elemen rangkaian dan konverter khusus mengisi daya super ke tegangan 4V. Kapasitor menyediakan penyimpanan energi dan menyediakan daya ke pemancar radio menggunakan konverter buck-boost.
Dengan skema kekuatan ini, sensor prototipe dirakit. Programmer telah mengembangkan perangkat lunak untuk sensor. Setelah debugging yang panjang dan sejumlah perbaikan, sampel perangkat pertama diperoleh. Tes dimulai.
Waktu pengoperasian perangkat yang berkesinambungan dari satu baterai AA DuraCell TurboMAX adalah 33 jam. Dari "baterai super", lithium "Energizer Ultimate Lithium" - 55 jam. Untuk baterai alkaline konvensional, waktu hidup 10 kali lebih sedikit dari yang dibutuhkan.
Transisi ke dua baterai AA
Daya tahan baterai perlu ditingkatkan. Cara termudah adalah menambah jumlah baterai. Persyaratan untuk berat dan dimensi dikedepankan kaku, sehingga dimungkinkan untuk meningkatkan jumlah elemen hanya hingga 2 pcs.
Peningkatan jumlah baterai telah mengubah persyaratan untuk rangkaian daya. Baterai dihubungkan secara seri, yang artinya tegangan input berlipat ganda. Itu 1V - 4.2V, menjadi 2V - 8.4V.
Tegangan maksimum yang diizinkan pada input dari rangkaian daya yang dikembangkan ditentukan oleh konverter input dan 5.5V. Ini berarti bahwa rangkaian daya tidak cocok untuk sensor atau perlu untuk membatasi rentang baterai yang berlaku. Kami mengambil jalur kedua - baterai Li-Ion yang ditinggalkan dan baterai Saft lithium-thionyl chloride. Itu tidak mungkin untuk dengan cepat mendesain ulang skema daya.
Pengukuran waktu pengoperasian sensor dari dua baterai tanpa mengubah rangkaian daya menunjukkan hasil berikut:
- Dari 2 baterai "Energizer Ultimate Lithium", perangkat yang sama bekerja sekitar 120 jam.
- Dari 2 baterai AA "DuraCell TurboMAX" waktu operasi adalah sekitar 70 jam.
Waktu operasi terus menerus meningkat 2 kali, tetapi masih tidak memuaskan.
Langkah selanjutnya untuk meningkatkan masa pakai baterai adalah mengoptimalkan efisiensi rangkaian daya.
Mengukur efisiensi konverter dan efisiensi keseluruhan rangkaian daya
Sebagai bagian dari upaya mengoptimalkan rangkaian daya, saya melakukan sejumlah studi tentang konverter yang menjadi dasar rangkaian tersebut.
Input Boost Converter
Konverter boost didasarkan pada rangkaian mikro LTC3422EDD Linear, pada versi awal konverter menghasilkan tegangan output 5V:
Untuk konverter berbasis LTC3422EDD, saya mengukur ketergantungan efisiensi pada arus beban konverter pada tegangan pasokan konverter 1,5V dan 3,0V, untuk tegangan output 3,3V dan 5V:
Ketergantungan efisiensi konverter pada tegangan input pada beban konstan, P = 50mW, tipikal untuk mode operasi sensor, dengan tegangan output dari konverter 3.3V dan 5V:
Studi tentang efisiensi konverter boost menunjukkan bahwa penggunaan dua baterai dan penurunan tegangan output konverter ke 3.3V mengarah ke peningkatan efisiensi konverter hingga 20% untuk konsumsi daya tipikal 50 mW. Ketika menggunakan 1 baterai dan tegangan output 5V, efisiensinya sekitar 70% (grafik merah pada Gambar. 1., arus output adalah dari 5 hingga 14 mA). Saat menggunakan 2 baterai dan mengurangi tegangan output menjadi 3.3V, efisiensinya mencapai 89% (grafik biru pada Gambar 2., arus output adalah dari 5 hingga 19 mA).
Anda juga dapat mengharapkan peningkatan efisiensi di seluruh jajaran baterai. Untuk satu baterai, kisaran tegangan pengoperasian adalah 0,9-1,5V. Efisiensi terbaik untuk baterai baru, sesuai dengan grafik Gambar. 3 adalah 69%. Sedangkan nilai efisiensi terburuk, saat menggunakan dua baterai yang kosong dengan tegangan sisa 1.1V + 1.1V = 2.2V, akan ada di grafik Gambar. 3 sekitar 79%. Untuk satu set baterai segar, efisiensi yang diharapkan mencapai 84%.
Kapasitas beban konverter juga meningkat ketika menggunakan 2 baterai. Untuk satu baterai, efisiensi turun secara signifikan ketika konsumsi saat ini lebih dari 20 mA, sementara ketika menggunakan 2 baterai konverter mempertahankan nilai efisiensi yang tinggi pada arus beban lebih dari 100 mA.
Mengurangi tegangan output konverter boost ke 3.3V meningkatkan waktu operasi kontinu sebesar 20%, karena peningkatan efisiensi konverter.
Mengurangi tegangan output juga meningkatkan kapasitas beban konverter.
Juga, saya memperkirakan ketergantungan efisiensi pada arus beban konverter ketika tegangan output dikurangi menjadi 3.3V:
Saat menggunakan 2 baterai dan mengurangi tegangan output menjadi 3.3V, tidak hanya peningkatan efisiensi yang dicapai, tetapi juga peningkatan kapasitas beban konverter lebih dari 2 kali.
Konverter uang 3.3V
Konverter buck didasarkan pada chip Linear LTC3406. Pada versi awal, konverter menghasilkan tegangan 3,3 V dari tegangan menengah 5 V pada output:
Untuk konverter berdasarkan LTC3406, saya mengukur ketergantungan efisiensi pada arus beban
pada tegangan input 5V.
Evaluasi efisiensi konverter, membentuk tegangan suplai 3,3V, menunjukkan nilai sekitar 70% pada arus konsumsi 50 mW khas untuk mode operasi utama.
Penilaian efisiensi keseluruhan dari rangkaian daya
Untuk pelaksanaan awal rangkaian daya, perkiraan efisiensi diperoleh dengan mengalikan efisiensi konverter boost dan efisiensi konverter 3.3V.
Jika Anda menggunakan 2 baterai, kurangi tegangan output konverter boost menjadi 3.3V dan tidak termasuk konverter yang membentuk 3.3V sebelumnya, efisiensi rangkaian daya akan sama dengan efisiensi konverter boost:
** Kami mendapatkan tindakan yang diperlukan untuk mengoptimalkan skema:
- Gunakan 2 baterai.
- Konversikan boost converter ke tegangan output 3.3V.
- Kecualikan konverter uang. **
Skema daya yang dioptimalkan
Berdasarkan hasil penelitian, saya mengembangkan skema daya sensor yang disederhanakan, tetapi lebih optimal:
Dua baterai yang terhubung secara seri terhubung ke boost converter, yang menghasilkan tegangan pasokan 3,3V untuk memberi daya seluruh elektronik perangkat. Konverter khusus mengisi daya superkapasitor, dari mana penguat RF diumpankan selama transmisi melalui udara melalui konverter buck-boost.
Waktu pengoperasian perangkat yang berkelanjutan telah meningkat lebih dari 2,5 kali dan mencapai usia baterai yang dapat diterima 120 jam dari "baterai jari" biasa. Saat menggunakan baterai lithium "Energizer Ultimate Lithium" masa pakai baterai mencapai 200 jam.
Hasil Optimasi
Dalam pengalaman saya, rangkaian daya perangkat yang bekerja secara mandiri selalu merupakan kompromi antara fungsionalitas yang diperlukan dan usia baterai. Saya mampu 4 kali meningkatkan masa pakai baterai melalui penolakan universalitas. Kami mengesampingkan baterai mahal dan langka. Pada saat yang sama, kami menjaga persyaratan, yang kami anggap penting - baterai digunakan "dari toko". Untuk mendapatkan daya tahan baterai lebih lama, Anda dapat menggunakan baterai komersial yang lebih langka dan mahal, tetapi masih mudah diakses.
Pengembangan perangkat unik selalu merupakan penilaian terhadap banyak opsi implementasi. Untuk menemukan kompromi antara fungsionalitas penuh, biaya, keandalan, dan kompleksitas implementasi teknis adalah tugas utama insinyur.