A história de como otimizamos o circuito de potência de sensores autônomos para coletar, processar e transmitir informações. Eles alcançaram uma redução no custo dos eletrônicos, o peso do sensor e aumentaram ligeiramente suas dimensões gerais.
O artigo descreve a evolução do circuito de potência de sensores autônomos para coletar e processar informações. Vou tentar falar brevemente sobre todas as etapas da melhoria do circuito. Vou começar a história desenvolvendo um protótipo que atenda a todos os requisitos, exceto o principal. Vou falar sobre como tentar elevar o circuito aos requisitos com o mínimo esforço, simplesmente aumentando o número de baterias. Descreverei a busca e análise das razões para a incompatibilidade dos parâmetros do circuito. Na parte final, darei um esquema e comparação otimizados antes e depois.
Espero que minha experiência seja útil ao desenvolver dispositivos com alimentação própria.
Eu trabalho para a Uniscan Research. Tornamos os dispositivos de alta tecnologia um produto serial. Este artigo é uma descrição do processo de otimização do sistema de energia de dispositivos independentes desenvolvido como parte de um de nossos projetos.
Para um dos principais projetos, precisávamos desenvolver um sistema para coletar e processar informações, consistindo em pequenos sensores com fonte de alimentação autônoma, transmitindo os dados coletados para o console do operador por via aérea.
Os principais requisitos para o sistema em desenvolvimento são peso mínimo, tamanhos mínimos de elementos, instalação simples e rápida no solo, alta velocidade e confiabilidade na entrega de dados, baterias disponíveis e a possibilidade de substituí-las.
Requisitos iniciais de energia
Um dos principais requisitos é a duração da bateria na região de 240 horas, para que, no mínimo possível, seja necessário substituir as baterias.
Uma estimativa aproximada do consumo de energia foi realizada com base em dados sobre o consumo de outros dispositivos independentes. Um dispositivo funcionando com uma única bateria AA por 240 horas parecia bastante viável.
Realizei a avaliação inicial da seguinte maneira:
- Vamos avaliar a capacidade das "baterias" comerciais. Utilizamos os dados de pesquisadores conscientes. Os gráficos mostram a capacitância efetiva das baterias quando descarregadas por diferentes correntes. Colunas azuis - a capacidade das baterias ao descarregar é mínima, nos testes realizados, com uma corrente de 200 mA. A capacidade da "bateria" média é estimada em 2500 mAh, para uma corrente de descarga de 200 mA.
- Estimamos o consumo de energia de um dispositivo semelhante. Existe um dispositivo que consome cerca de 1 mA de 12V, que é de 12mW.
- Calculamos a duração da bateria do dispositivo. A capacidade da "bateria" foi estimada em 2500 mAh, a tensão nominal é de 1,5V, portanto, o tempo de operação com um consumo de 12 mW pode ser calculado:
Corrente de consumo = (Consumo de energia) / (tensão nominal) = 12mW / 1,5V = 8 mA
Vida útil da bateria = (Capacidade, mA * h) / (consumo de corrente mA) = 2500 mA / 8mA = 312 horas.
Não menos que 300 horas. Lá vai você.
As especificidades do uso do sistema são tais que as baterias alcalinas AA comerciais, “baterias do tipo dedo”, são as mais adequadas para o papel da bateria principal.Um dos principais motivos para a escolha dessa bateria pode ser comprado em qualquer loja do mundo.
Desenvolvimento de um circuito de potência do sensor protótipo
Não é possível alimentar o circuito do sensor diretamente da bateria. É necessário desenvolver um circuito de potência para formar as tensões necessárias para a eletrônica.
Para fazer isso, precisamos determinar as tensões de entrada e saída do circuito e a potência necessária (consumo de corrente).
Determinar as tensões de saída é simples:
- Para alimentar o controlador e toda a periferia do sensor, é necessária uma tensão de 3,3V.
- Para alimentar o amplificador de RF do rádio modem - 3.6V.
Também podemos estimar o consumo atual esperado:
- Para um barramento de força comum de 3,3V, no modo de espera, cerca de 4-6 mA.
Determinar a tensão na entrada do circuito também não é difícil. A bateria principal é uma "bateria digital" alcalina:
- Tensão de entrada de 1 a 1.5V.
Parece ter funcionado, mas há nuances:
- O consumo atual do modem de rádio durante a transmissão é alto. Uma "bateria" descarregada não é capaz de fornecer energia significativa instantaneamente. A tensão nele "diminuirá", devido à grande resistência interna, o dispositivo será desligado. Precisamos de uma unidade que armazene energia lentamente até que haja uma transmissão pelo ar. E durante a transmissão fornece a energia necessária.
- O tamanho das pilhas AA é usado não apenas para "pilhas" alcalinas. As baterias de hidreto de níquel-metal e as baterias de cloreto de lítio-tionil Saft estão disponíveis no mesmo tamanho. E até baterias de íon de lítio do tamanho 14500, que correspondem ao tamanho do AA. Essa variedade aumenta a faixa de tensão de entrada. Uma bateria de íon de lítio totalmente carregada tem uma tensão de saída de até 4.2V.
Para que o sistema de energia seja completamente universal, ele deve permanecer operável na faixa de tensão de entrada de 1 a 4,2V.
Uma pequena nuance traz sérias complicações ao esquema. A tensão de entrada pode ser menor que a tensão de saída ou maior, o circuito deve poder aumentar a tensão e abaixá-la. Não consegui encontrar um microcircuito adequado que pudesse reduzir e aumentar a tensão simultaneamente, devido à tensão de entrada muito baixa de 1 V. Desenvolvi um circuito que aumentou a tensão de entrada para um nível intermediário de 5V e depois a reduzi para a tensão necessária de 3,3V.
A tensão de alimentação de 3,3V fornece todos os elementos do circuito e um conversor especializado que carrega o supercapacitor a uma tensão de 4V. O capacitor fornece armazenamento de energia e fornece energia ao transmissor de rádio usando um conversor buck-boost.
Com esse esquema de energia, sensores protótipos foram montados. O programador desenvolveu um software para sensores. Após longas depurações e várias melhorias, as primeiras amostras de dispositivos foram obtidas. Os testes começaram.
O tempo de operação contínua do dispositivo de uma bateria AA DuraCell TurboMAX foi de 33 horas. De "super baterias", lítio "Energizer Ultimate Lithium" - 55 horas. Para uma bateria alcalina convencional, o tempo de vida útil era 10 vezes menor que o necessário.
Transição para duas pilhas AA
A duração da bateria foi necessária para aumentar. A maneira mais fácil é aumentar o número de baterias. Os requisitos de peso e dimensões foram apresentados rígidos, de modo que era possível aumentar o número de elementos apenas em até 2 peças.
O aumento no número de baterias mudou os requisitos para o circuito de energia. As baterias são conectadas em série, o que significa que a tensão de entrada dobra. Foi 1V - 4.2V, tornou-se 2V - 8.4V.
A tensão máxima permitida na entrada do circuito de potência desenvolvido é determinada pelo conversor de entrada e é de 5,5V. Isso significa que o circuito de energia não é adequado para o sensor ou é necessário limitar o alcance das baterias aplicáveis. Seguimos o segundo caminho - baterias de íon de lítio abandonadas e baterias de cloreto de lítio-tionila Saft. Não foi possível reprojetar rapidamente o esquema de energia.
A medição do tempo de operação dos sensores de duas baterias sem alterar o circuito de potência mostrou os seguintes resultados:
- De 2 baterias "Energizer Ultimate Lithium", os mesmos dispositivos funcionaram por cerca de 120 horas.
- Com 2 baterias, o tempo de operação do AA “DuraCell TurboMAX” durou cerca de 70 horas.
O tempo de operação contínua aumentou 2 vezes, mas ainda era insatisfatório.
O próximo passo para aumentar a vida útil da bateria foi otimizar a eficiência do circuito de energia.
Medindo a eficiência dos conversores e a eficiência geral do circuito de potência
Como parte do trabalho de otimização do circuito de potência, realizei vários estudos sobre os conversores nos quais o circuito é construído.
Conversor de impulso de entrada
O conversor de impulso é baseado no microcircuito linear LTC3422EDD, na versão inicial o conversor gerava tensão de saída de 5V:
Para um conversor baseado em LTC3422EDD, medi as dependências da eficiência na corrente de carga do conversor em uma tensão de alimentação do conversor de 1,5V e 3,0V, para tensões de saída de 3,3V e 5V:
A dependência da eficiência do conversor na tensão de entrada em carga constante, P = 50mW, típica para o modo de operação do sensor, com a tensão de saída do conversor 3.3V e 5V:
O estudo da eficiência do conversor de impulso mostra que o uso de duas baterias e uma diminuição na tensão de saída do conversor para 3,3V levam a um aumento na eficiência do conversor em até 20% para um consumo de energia típico de 50 mW. Ao usar 1 bateria e uma tensão de saída de 5V, a eficiência é de cerca de 70% (gráfico vermelho na Fig. 1., a corrente de saída é de 5 a 14 mA). Ao usar 2 baterias e reduzir a tensão de saída para 3,3V, a eficiência atinge 89% (gráfico azul na Fig. 2., a corrente de saída é de 5 a 19 mA).
Você também pode esperar uma eficiência aprimorada em toda a gama de baterias. Para uma bateria, a faixa de tensão operacional é de 0,9 a 1,5V. A melhor eficiência para uma bateria nova, de acordo com o gráfico da Fig. 3 é 69%. Enquanto o pior valor da eficiência, ao usar duas baterias descarregadas com uma tensão residual de 1.1V + 1.1V = 2.2V, estará no gráfico da Fig. 3 cerca de 79%. Para um conjunto de baterias novas, a eficiência esperada é de até 84%.
A capacidade de carga do conversor também aumenta ao usar 2 baterias. Para uma bateria, a eficiência cai significativamente quando o consumo atual é superior a 20 mA, enquanto, ao usar duas baterias, o conversor mantém um alto valor de eficiência com uma corrente de carga superior a 100 mA.
Reduzir a tensão de saída do conversor de impulso para 3,3V aumenta o tempo de operação contínua em 20%, devido a um aumento na eficiência do conversor.
Reduzir a tensão de saída também aumenta a capacidade de carga do conversor.
Além disso, estimei a dependência da eficiência da corrente de carga do conversor quando a tensão de saída é reduzida para 3,3V:
Ao usar 2 baterias e reduzir a tensão de saída para 3,3V, não só é alcançado um aumento na eficiência, mas também um aumento na capacidade de carga do conversor em mais de 2 vezes.
Conversor do fanfarrão 3.3V
O conversor buck é baseado no chip linear LTC3406. Na versão inicial, o conversor gerou uma tensão de 3,3 V a partir de uma tensão intermediária de 5 V na saída:
Para um conversor baseado em LTC3406, medi a dependência da eficiência na corrente de carga
a uma tensão de entrada de 5V.
A avaliação da eficiência do conversor, formando uma tensão de alimentação de 3,3V, mostrou um valor de cerca de 70% a uma corrente de consumo de 50 mW, característica do principal modo de operação.
Avaliação da eficiência geral do circuito de potência
Para a execução inicial do circuito de potência, é obtida uma estimativa da eficiência multiplicando a eficiência do conversor de impulso e a eficiência do conversor de 3,3V.
Se você usar duas baterias, reduza a tensão de saída do conversor de impulso para 3,3V e exclua o conversor que formou 3,3V antes, a eficiência do circuito de potência será igual à eficiência do conversor de impulso:
** Recebemos as ações necessárias para otimizar o esquema:
- Use 2 pilhas.
- Converter conversor de impulso para tensão de saída de 3.3V.
- Excluir conversor buck. **
Esquema de energia otimizado
Com base nos resultados da pesquisa, desenvolvi um esquema de potência do sensor simplificado, porém mais ideal:
Duas baterias conectadas em série são conectadas a um conversor de impulso, que gera uma tensão de alimentação de 3,3V para alimentar toda a eletrônica do dispositivo. Um conversor especializado carrega o supercapacitor, do qual o amplificador de RF é alimentado durante a transmissão pelo ar através do conversor buck-boost.
O tempo de operação contínua do dispositivo aumentou mais de 2,5 vezes e alcançou uma duração de bateria aceitável de 120 horas a partir de "baterias digitais" comuns. Ao usar baterias de lítio, a bateria "Energizer Ultimate Lithium" atingiu 200 horas.
Resultados de otimização
De acordo com a minha experiência, o circuito de energia de dispositivos que funcionam autonomamente é sempre um compromisso entre a funcionalidade necessária e a duração da bateria. Consegui aumentar a vida útil da bateria 4 vezes com a rejeição da universalidade. Descartamos baterias caras e raras. Ao mesmo tempo, mantivemos o requisito, que consideramos importante - as baterias são usadas “da loja”. Para obter mais vida útil da bateria, você pode usar baterias comerciais mais raras e caras, mas ainda facilmente acessíveis.
O desenvolvimento de dispositivos exclusivos é sempre uma avaliação de muitas opções de implementação. Encontrar um compromisso entre toda a funcionalidade, custo, confiabilidade e complexidade da implementação técnica é a principal tarefa do engenheiro.