我们如何优化自主传感器的电源电路以收集，处理和传输信息的故事。 他们降低了电子设备的成本，降低了传感器的重量，并略微增加了其整体尺寸。
本文介绍了用于收集和处理信息的自主传感器电源电路的发展。 我将尝试简要地讨论改善电路的所有阶段。 首先，我将开发一个满足所有要求（主要需求除外）的原型。 我将谈论通过增加电池数量以最小的努力使电路达到要求。 我将描述搜索和分析电路参数不匹配的原因。 在最后一部分中，我将给出优化的方案，然后进行前后的比较。
我希望我的经验能在开发自供电设备时派上用场。
我为Uniscan Research工作。 我们使高科技设备成为系列产品。 本文是对作为我们的项目之一而开发的独立设备的电源系统进行优化的过程的描述。
对于其中一个主要项目，我们需要开发一种用于收集和处理信息的系统，该系统由带有独立电源的小型传感器组成，将收集到的数据通过无线传输到操作员控制台。
对开发中的系统的关键要求是最小的重量，最小的元件尺寸，在地面上的简单快速安装，数据传输的速度和可靠性，可用的电池以及更换电池的可能性。
初始电源要求
主要要求之一是电池寿命在240小时左右，因此需要更换的电池尽可能少。
根据其他独立设备的功耗数据对功耗进行了粗略估计。 使用单节AA电池运行240小时的设备似乎非常可行。
我进行了如下初步评估：
- 让我们评估一下商用“电池”的容量。 我们使用认真研究人员的数据。 这些图显示了通过不同电流放电时电池的有效电容。 蓝列-在进行的测试中，使用200 mA的电流时，电池的放电容量最小。 对于200 mA的放电电流，平均“电池”的容量估计为2500 mAh。
- 我们估算了类似设备的功耗。 有一种器件从12V（即12mW）消耗大约1mA的电流。
- 我们计算设备的电池寿命。 “电池”的容量估计为2500 mAh，标称电压为1.5V，因此，可以计算出消耗12 mW的工作时间：
消耗电流=（功率消耗）/（额定电压）= 12mW / 1.5V = 8 mA
电池寿命=（容量，mA * h）/（电流消耗mA）= 2500 mA / 8mA = 312小时。
不少于300小时。 你去。
使用该系统的细节使得商用AA碱性电池（“手指型”电池）最适合主电池的作用，选择该电池的主要原因之一是可以在世界各地的任何商店购买到。
开发原型传感器电源电路
无法直接从电池为传感器电路供电。 必须开发电源电路以形成电子设备所需的电压。
为此，我们需要确定电路的输入和输出电压以及所需的功率（电流消耗）。
确定输出电压很简单：
- 为控制器和传感器的整个外围供电，需要3.3V的电压。
- 为无线电调制解调器的RF放大器供电-3.6V。
我们还可以估算预期的电流消耗：
- 对于普通的3.3V电源总线，在待机模式下约为4-6 mA。
确定电路输入端的电压也不难。 主电池是碱性的“手指电池”：
似乎已经解决了，但有细微差别：
- 传输期间无线电调制解调器的电流消耗很高。 放电的“电池”无法立即提供大量电能。 由于内部电阻较大，其上的电压将“消退”，该设备将关闭。 我们需要一种能够缓慢存储能量的驱动器，直到有空中传输。 并在传输过程中提供必要的动力。
- AA电池的大小不仅用于碱性“电池”。 可提供相同尺寸的镍氢电池和Saft锂亚硫酰氯电池。 甚至14500号锂离子电池（相当于AA电池）。 这种变化增加了输入电压范围。 充满电的锂离子电池的输出电压最高为4.2V。
为了使电源系统完全通用，它必须在1到4.2V的输入电压范围内保持可操作状态。
细微差别会给该计划带来严重的复杂性。 输入电压可以低于输出电压，也可以高于输出电压，电路必须能够提高电压并降低电压。 由于1 V的输入电压非常低，我找不到合适的微电路同时降低和提高电压。我开发了一种电路，可以将输入电压提高到5V的中间水平，然后再降低到3.3V的所需电压。
3.3V电源电压为电路的所有元件和专门的转换器供电，该转换器将超级电容器充电至4V的电压。 电容器提供能量存储，并使用降压-升压转换器为无线电发射器供电。
通过这种电源方案，组装了原型传感器。 程序员已经开发了用于传感器的软件。 经过长时间的调试和许多改进，获得了第一个设备样本。 测试开始了。
一节AA DuraCell TurboMAX电池可让设备连续运行33小时。 从“超级电池”中获得锂“劲量终极锂”-55小时。 对于传统的碱性电池，其使用寿命比要求的时间短10倍。
过渡到两节AA电池
必须增加电池寿命。 最简单的方法是增加电池数量。 对重量和尺寸的要求提出了严格的要求，因此最多可以将元件数量增加到2个。
电池数量的增加改变了对电源电路的要求。 电池串联连接，这意味着输入电压加倍。 它是1V-4.2V，变成了2V-8.4V。
展开的电源电路输入端的最大允许电压由输入转换器确定，为5.5V。 这意味着电源电路不适用于传感器，或者必须限制适用电池的范围。 我们走了第二条路-废弃的锂离子电池和Saft锂亚硫酰氯电池。 无法快速重新设计电源方案。
在不更改电源电路的情况下，用两节电池对传感器的工作时间进行了测量，结果如下：
- 相同的设备使用两节电池“ Energizer Ultimate Lithium”可工作约120小时。
- 使用2节电池，AA“ DuraCell TurboMAX”的工作时间约为70小时。
连续运行时间增加了2倍，但仍然不能令人满意。
延长电池寿命的下一步是优化电源电路的效率。
测量转换器的效率和电源电路的整体效率
作为优化电源电路的工作的一部分，我对构建该电路的转换器进行了许多研究。
输入升压转换器
升压转换器基于LTC3422EDD线性微电路，在初始版本中，转换器产生5V输出电压：
对于基于LTC3422EDD的转换器，我测量了在3.3V和5V输出电压下，在1.5V和3.0V转换器电源电压下效率对转换器负载电流的依赖性：
转换器效率取决于恒定负载下输入电压P = 50mW（对于传感器的工作模式而言典型），转换器的输出电压为3.3V和5V：
对升压转换器效率的研究表明，使用两个电池并将转换器的输出电压降低至3.3V，对于典型的50 mW功耗，转换器效率可提高高达20％。 当使用1个电池且输出电压为5V时，效率约为70％（图1中的红色曲线图，输出电流为5至14 mA）。 当使用两节电池并将输出电压降低到3.3V时，效率达到89％（图2中的蓝色曲线图，输出电流为5到19 mA）。
您还可以期望在整个电池范围内提高效率。 对于一块电池，工作电压范围为0.9-1.5V。 根据图2的图表，新电池的最佳效率。 3是69％。 而效率的最差值是在使用两个放电电池，其剩余电压为1.1V + 1.1V = 2.2V时，将显示在图5中。 3约占79％。 对于一组新电池，预期效率高达84％。
使用两节电池时，转换器的负载容量也会增加。 对于一个电池，当电流消耗大于20 mA时，效率会显着下降，而当使用2个电池时，转换器在负载电流大于100 mA时将保持较高的效率值。
由于升压转换器的输出电压提高到3.3V，因此其连续工作时间增加了20％。
降低输出电压也会增加转换器的负载能力。
此外，我估计了当输出电压降至3.3V时效率对转换器负载电流的依赖性：
当使用两节电池并将输出电压降低到3.3V时，不仅可以实现效率的提高，而且转换器的负载能力也可以提高两倍以上。
3.3V降压转换器
降压转换器基于LTC3406线性芯片。 在初始版本中，转换器从输出的5 V中间电压产生3.3 V电压：
对于基于LTC3406的转换器，我测量了效率对负载电流的依赖性
输入电压为5V时。
评估转换器的效率（形成3.3V的电源电压）显示，在主工作模式下典型的50 mW消耗电流下，该效率约为70％。
评估电源电路的整体效率
对于电源电路的初始执行，通过将升压转换器的效率与3.3V转换器的效率相乘来获得效率的估算值。
如果使用两节电池，请将升压转换器的输出电压降低至3.3V，并排除之前形成的3.3V转换器，那么电源电路的效率将等于升压转换器的效率：
**我们采取了必要的措施来优化方案：
- 使用两节电池。
- 将升压转换器转换为3.3V输出电压。
- 排除降压转换器。
优化的电源方案
根据研究结果，我开发了一种简化但更优化的传感器电源方案：
两个串联连接的电池连接到升压转换器，升压转换器产生3.3V的电源电压为设备的整个电子设备供电。 一个专用的转换器为超级电容器充电，在通过降压-升压转换器进行空中传输期间，向RF放大器馈电。
该设备的连续运行时间增加了2.5倍以上，与普通的“手指电池”相比，可以达到120小时的可接受电池寿命。 使用锂电池时，“ Energizer Ultimate Lithium”电池寿命达到200小时。
优化结果
以我的经验，自主工作设备的电源电路始终是所需功能和电池寿命之间的折衷方案。 通过拒绝通用性，我能够将电池寿命延长4倍。 我们排除了昂贵和稀有的电池。 同时，我们保留了我们认为很重要的要求-电池是“从商店”使用的。 为了延长电池寿命，您可以使用更稀有和昂贵的但仍易于使用的商用电池。
独特设备的开发始终是对许多实施方案的评估。 在技术实现的全部功能，成本，可靠性和复杂性之间找到折衷方案是工程师的主要任务。