Amplificarea tensiunii unei singure baterii poate înlocui baterii multiple pentru a reduce costuri şi dimensiuni, explică Jason Tollefson, Mikhail Voroniouk, şi Adam Jakubiak, Microchip Technology şi Compania de baterii Energizer.
În vreme ce bateriile reîncărcabile sunt potrivite pentru aplicaţii ce au un înalt nivel de utilizare combinat cu o viteză de golire ridicată, bateriile iniţiale sunt încă cea mai simplă şi economică opţiune de proiectare pentru majoritatea dispozitivelor portabile şi cea care poate suporta cea mai mare reducere a dimensiunii fizice.
Indiferent dacă proiectul este pentru glucozimetru sanguin, un periferic de PC sau o cameră, scopul va fi furnizarea de control inteligent combinat cu cea mai lungă durată de viaţă posibilă a bateriei şi reducerea dimensiunii şi a masei produsului final pentru a-l face mai portabil.
Desigur, deciderea implementării unui proiect cu o singură baterie este numai începutul: este apoi decizia ce tehnologie de baterie să fie utilizată. Figura 1 prezintă o gamă de tehnologii de baterii uzuale (nu acumulatori) şi aplicaţiile lor tipice.
Pentru temporizatoare şi ceasuri, care consumă prin comparaţie puţină energie combinat cu o durată de viaţă operaţională de până la 10 ani, sunt disponibile uşoarele baterii tip monedă, precum Li/MnO2, în 13 dimensiuni diferite.
Pentru dispozitive portabile ce au un consum jos spre mediu, bateriile cilindrice alcaline sunt disponibile în trei factori de formă compacţi: AA, AAA şi AAAA.
Bateriile cilindrice cu litiu (LiFeS2) oferă doar doi factori de formă, AA şi AAA, şi sunt mai potrivite pentru aplicaţii cu consum de la mediu spre mare, sau care trebuie să funcţioneze la temperaturi scăzute. Comparativ cu bateriile cilindrice alcaline, alternativele pe litiu sunt cu 33% mai uşoare, oferă o mai mare siguranţă în funcţionare şi au o durată de viaţă la raft de până la 15 ani, ceea ce reprezintă de două sau de trei ori mai mult decât în cazul bateriilor alcaline.
Proiecte cu o singură baterie
Integrarea ridicată pe siliciu şi componentele pasive mici înseamnă reducerea dimensiunilor dispozitivelor portabile an după an. Pentru cele mai multe proiecte bariera în calea unor reduceri suplimentare este dimensiunea fizică a spaţiului pentru baterii, ce poate necesita permiterea a două sau mai multe baterii. Alternativa este utilizarea unui microcontroler ce poate rula cu o singură baterie.
Un convertor ridicător de tensiune pentru baterii, precum MCP1640 de la Microchip, furnizează o sursă de tensiune prin ridicarea tensiunii de intrare la o tensiune stabilizată mai mare, de exemplu de la 2 la 5V. Aceasta însemnă că dispozitivul poate porni cu o tensiune de intrare semnificativ mai mică decât tensiunea de operare.
Numeroase microcontrolere, de exemplu, nu pot opera cu o tensiune mai mică de 2V, dar convertorul ridicător de tensiune poate furniza tensiunea pornind de la o tensiune de 0,65V. Figura 2 prezintă o formă de undă tipică de pornire, unde tensiunea de pornire de joasă tensiune începe să încarce ieşirea de tensiune până la nivelul tensiunii de intrare dorite. Odată ce tensiunea de ieşire este încărcată, canalul N începe să comute, pompând tensiunea de ieşire, după care polarizarea internă comută de pe intrare pe ieşire. Acest lucru permite o aplicaţie ce utilizează o baterie alcalină amplificată să înceapă în orice punct al curbei de descărcare, dovedind că are suficientă capacitate rămasă pentru a opera dispozitivul.
În vreme ce un convertor ridicător de tensiune pentru baterii poate fi capabil să furnizeze o tensiune de ieşire consistentă de la tensiuni de intrare foarte mici (de exemplu 0,35V), furnizorii de baterii, precum Energizer, nu recomandă descărcarea bateriilor alcaline sau cu litiu sub 0,8V, deoarece pot distruge bateria.
Avantajul utilizării unei abordări cu o singură baterie depinde de tipul bateriei care este înlocuită. De exemplu prin înlocuirea a două baterii alcaline cu o singură baterie alcalină economiseşte atât spaţiul cât şi masa celei de-a doua baterii, cu toate că este necesar un spaţiu mic necesar convertorului şi componentelor sale de suport.
Utilizarea unui convertor ridicător de tensiune pentru baterii maximizează de asemenea eficienţa energetică a sistemului prin furnizarea unei tensiuni stabilizate pe întreaga durată de viaţă a bateriei. Această tensiune stabilizată poate face ca microcontrolerul să opereze mai eficient, prin posibilitatea de a funcţiona la o tensiune mai joasă şi mai netedă. De exemplu, reducerea tensiunii de operare a microcontrolerului de la 3,3V la 2,2V oferă un consum energetic de 1,8 ori mai mic pe partea microcontrolerului (diferenţa de tensiune la pătrat). Suplimentar, convertorul ridicător de tensiune furnizează protecţie la scurtcircuit prin limitarea curentului.
Costul OEM-urilor pentru implementarea convertorului ridicător de tensiune este puţin mai mare decât costul a două baterii alcaline, dar costul de operare al consumatorului poate fi similar între cele două abordări, dacă convertorul ridicător de tensiune este operat la randament înalt.
Adoptarea abordării cu o singură baterie alcalină permite dezvoltatorilor să micşoreze dimensiunea produselor fără a schimba chimia diferitelor baterii pentru un proiect mai vechi bazat pe mai multe baterii alcaline. Lucrul cu o singură baterie simplifică de asemenea consideraţiile mecanice legate de carcasa pentru baterii şi reduce riscul ca bateriile să fie introduse greşit de către utilizator.
Proiectanţii ce compară avantajele şi dezavantajele implementării unei soluţii cu o baterie alcalină faţă de o soluţie cu baterie reîncărcabilă de litiu ion polimer vor găsi diferite motive pentru selectarea unei soluţii cu o singură baterie. Deoarece convertorul ridicător de tensiune furnizează o tensiune stabilizată, ea permite reglarea tensiunii pentru a maximiza eficienţa sistemului. Convertorul oferă de asemenea protecţie la scurtcircuit prin limitarea de curent. Amprenta de 352mm2 pentru o singură baterie alcalină AAAA este mai mică decât o singură baterie de litiu ion polimer la 650mm2 (31mm × 21mm × 3,5mm), chiar dacă au acelaşi volum, considerând un proiect cu două feţe.
Utilizarea unei implementări alcaline faţă de litiu ion polimer simplifică logistica necesară, deoarece evită necesitatea unui circuit de încărcare şi conformarea la normele de transport pentru litiu. Pentru acele aplicaţii în care utilizarea bateriilor cu înlocuire este mai convenabilă, implementarea unui convertor ridicător de tensiune cu o singură baterie alcalină AAAA poate furniza o reducere a costurilor cu 50-70% pentru partea de baterie a sistemului comparativ cu bateria de litiu ion polimer, plus controlerul de încărcare, plus încărcătorul.
Compararea implementării soluţiei cu o singură baterie alcalină faţă de o baterie tip monedă cu litiu identifică un nou set de avantaje ale primei soluţii. Pentru acest exemplu, comparaţia este între o baterie alcalină AAAA cu capacitatea de 600mAh şi o baterie cu litiu CR2032 cu o capacitate de 225mAh. Similar exemplului cu litiu ion polimer, utilizarea bateriei alcaline evită conformarea la transportul litiului. Bateriile cilindrice, precum AAAA sunt mult mai familiare pentru utilizatori decât cele tip monedă, şi este mai sigură instalarea corectă a acestora. Amprenta utilizării ambelor soluţii este oarecum similară, soluţia alcalină AAAA ocupând 352mm2 comparativ cu 314mm2 ai soluţiei cu CR2032, pornind de la ideea unei plăci cu două feţe. Soluţia cu o singură baterie alcalină continuă să ofere avantaje datorate reglării tensiunii prin maximizarea eficienţei şi oferirea de protecţie la scurt-circuit prin limitarea curentului.
Totuşi, spre deosebire de CR2032, bateria alcalină este capabilă de a furniza un curent continuu mai ridicat. Specific, soluţia cu o baterie alcalină poate furniza continuu 150mA, în vreme ce CR2032 poate face acest lucru numai pentru pulsuri foarte scurte. Extinderea curentului continuu dincolo de 10mA pentru bateria CR2032 îi scade dramatic capacitatea, şi chiar la 20mA, poate furniza numai 1/5 din energia posibil a fi furnizată de bateriile AAAA, după cum se poate observa în figura 3.
Compensări la nivel de sistem
În vreme ce utilizarea unui convertor ridicător de tensiune pentru baterii furnizează multe avantaje, precum posibilitatea ca un proiect cu microcontroler să funcţioneze cu o singură baterie, este important de luat în considerare echilibrul dintre soluţia cu o singură baterie şi cea cu mai multe baterii. Eficienţa convertorului ridicător de tensiune este puternic dependentă de curentul consumat,
precum şi de tensiunea de intrare şi de ieşire. Pierderea dominantă a convertorului ridicător de tensiune este rezistenţa, astfel încât eficienţa unor tensiuni de intrare/ieşire mai joase este mai mică decât eficienţa unei tensiuni de intrare / ieşire mai ridicate, după cum se poate vedea în figura 4. Alţi factori care pot avea impact asupra eficienţei convertorului ridicător de tensiune sunt pierderile rezistive în bobine şi condensatoare. Bobinele cu rezistenţe serie DC mai mici şi condensatoarele cu ESR (Equivalent Series Resistance) redus, permit eficienţe mai ridicate în ceea ce priveşte legate de dimensiune şi cost.
Pentru a permite un consum mai redus al sistemului, convertorul ridicător de tensiune poate include un mod de operare de repaus cu consum tipic de 20μA, un mod de închidere cu consum mai mic de 1μA. La cuplarea cu un microcontroler, un ridicător de tensiune poate furniza tensiunea pentru alimentarea aplicaţiei în modul sleep, utilizând o metodă de coborâre a limitei (coast-down).
Microcontrolerul porneşte circuitul ridicător de tensiune când tensiunea sistemului scade sub un nivel predeterminat, apoi îl închide pentru a elimina curentul de operare al ridicătorului de tensiune continuând să alimenteze sistemul din condensatorul de ieşire al circuitului. Utilizând această metodă, consumul energetic total al MCU şi al stabilizatorului ridicător de tensiune poate scădea la 87%. Implementarea unui convertor ridicător de tensiune permite o reducere globală a dimensiunii design-ului cu suprafaţa ocupată de a doua baterie, necesitând în schimb convertorul, două rezistenţe, două condensatoare şi o bobină, după cum se
poate observa în figura 5. Masa convertorului ridicător de tensiune este neglijabilă pentru cele mai multe proiecte. Suprafaţa unui circuit ridicător de tensiune tipic este de aproximativ 60mm2, ceea ce este considerabil mai puţin decât cei 450mm2 necesitaţi de a doua baterie AAA sau de cei 352mm2 ceruţi de a doua baterie AAAA, conducând la o reducere a suprafeţei ocupate cu 290 până la 390mm2 în întregul sistem, considerând o soluţie de proiect cu placă cu 2 feţe.
Costul OEM pentru implementarea convertorului ridicător de tensiune şi a componentelor necesare este de aproximativ $0,20, ceea ce poate, sau nu poate fi, compensat de tehnologia de baterie alternativă care este înlocuită. Multe companii de semiconductoare oferă note de aplicaţii şi/sau proiecte de referinţă pentru convertoarele lor ridicătoare de tensiune, precum şi MCP1640 de la Microchip.
Design-ul de referinţă pentru convertorul ridicător de tensiune cu o singură bateria AAAA este prezentat în figura 6. Modificarea acestui circuit pentru o aplicaţie specifică poate economisi timp important de proiectare.
Avantaje pentru produsul final
O implementare ridicătoare de tensiune cu o singură baterie nu numai că permite diferenţieri între factorii de formă mici pentru multe aplicaţii, dar poate furniza şi un avantaj de cost în faţa utilizării de acumulatori sau baterii tip monedă. Capabilitatea de a micşora lăţimea şi masa mânerului periuţei de dinţi electrice face ca dispozitivul să fie manevrat mult mai natural de către utilizator. Utilizarea unei singure baterii simplifică de asemenea structura mecanică şi oferă siguranţa că utilizatorul introduce corect bateria.
Un alt avantaj al utilizării ridicării de tensiune a bateriei este acela că tensiunea de alimentare a dispozitivului este stabilizată, astfel încât profilul de tensiune este plat pe întreaga durată de viaţă a bateriei. Acest lucru permite ca o periuţă de dinţi să ofere o vibraţie consistentă pe toată durata de viaţă a bateriei, fără căderi notabile ale vibraţiei şi performanțelor, odată cu descărcarea bateriei.
Suplimentar, microcontrolerul poate modula semnalul de vibraţie, precum generarea de vibraţii pulsatorii către utilizator odată cu apropierea bateriei de condiţiile de sfârşit de viaţă.
Lanternele, în special cele cu LED-uri, pot beneficia de asemenea de o sursă stabilizată de tensiune prin utilizarea unui convertor ridicător de tensiune pentru alimentarea unui microcontroler, care în schimb controlează mai complex alimentarea LED-urilor. Sursa stabilizată poate evita diminuarea luminii lanternei odată cu descărcarea bateriei pentru a oferi o lumină consistentă pe toată durata de viaţa a bateriei.
Utilizarea unei baterii alcaline cu sistem de ridicare a tensiunii poate fi potrivită în cazul unor produse foarte utile precum un mouse portabil wireless. Un astfel de mouse se doreşte a avea o durată de viaţă mai lungă a bateriei prin operarea cu o frecvenţă joasă de poziţionare potrivită pentru navigarea pe web şi editare de text, în opoziţie cu actualizări de înaltă frecvenţă pentru jocuri. Mouse-urile wireless sunt capabile de un factor de formă redus cu o singură baterie nereîncărcabilă, şi sa economisească costuri de proiectare şi materiale faţă de proiectele bazate pe baterii reîncărcabile. Suplimentar diferenţei de cost între tehnologiile de baterii, utilizarea unei baterii nereîncărcabile evită utilizarea în proiectul mecanic al unui conector costisitor pentru sursele de încărcare.
Majoritatea utilizatorilor sunt familiarizaţi cu factorii de formă cilindrici AA, AAA şi AAAA, știind foarte bine de unde să achiziţioneze acest tip de baterii. Proiectele ce utilizează aceşti factori de formă pot furniza acces simplu la înlocuirea bateriei, astfel încât utilizatorul să fie sigur că bateria este instalată corect. În vreme ce alţi factori de formă, precum bateriile tip monedă nu sunt uzuale, majoritatea utilizatorilor nu sunt familiarizaţi cu notaţiile pentru diferiți factori de formă ai acestor baterii – şi de aceea nici cu siguranţa de a instala o baterie corect. Orientarea clară pentru instalarea bateriilor cilindrice şi uşurinţa de a achiziţiona baterii de înlocuire oferă o diferenţiere a proiectului din punct de vedere al uşurinţei de utilizare.
Echipamentul care include soluţia de ridicare a tensiunii poate implementa conectivitate RF în volumul eliberat prin utilizarea unei singure baterii. Aplicaţiile ce pot beneficia de pe urma acestui aspect sunt echipamentele medicale portabile, precum modulele de tensiometre şi glucozimetre, precum şi balizele luminoase în medii industriale pentru urmărirea containerelor de transport.
Concluzie
Înlocuirea proiectelor cu baterii multiple cu o singură baterie şi un sistem ridicător de tensiune, precum Microchip MCP1640, are avantaje clare pentru o gamă largă de aplicaţii portabile. Utilizarea unei singure baterii cu amplificare de tensiune permite proiectelor să fie competitive prin scăderea dimensiunilor şi a masei, prin costuri mai mici ale materialelor şi prin proiecte mai simple din punct de vedere mecanic decât cele cu baterii multiple. Utilizatorii finali beneficiază de asemenea avantaje deoarece sunt familiarizaţi cu larg răspânditele baterii cilindrice. Toate acestea sunt motive solide pentru a migra către proiecte cu o singură baterie în cazul dispozitivelor portabile.
www.microchip.com