[Из песочницы] Как в 4 раза увеличить время работы устройств с автономным питанием
История о том, как мы оптимизировали схему питания автономных датчиков сбора, обработки и передачи информации. Добились снижения себестоимости электроники, веса датчика и незначительно увеличили его габаритные размеры.
В статье описана эволюция схемы питания автономных датчиков сбора и обработки информации. Я постараюсь кратко рассказать о всех этапах усовершенствования схемы. Начну рассказ с разработки прототипа, соответствующего всем требованиям, кроме главного. Расскажу о попытке привести работу схемы к требованиям с минимальными усилиями, просто увеличив количество элементов питания. Опишу поиск и анализ причин несоответствия параметров схемы. В заключительной части приведу оптимизированную схему и сравнение до и после.
Надеюсь, мой опыт пригодится вам при разработке устройств с автономным питанием.
Я работаю в компании Uniscan Research. Мы делаем наукоёмкие приборы серийные продуктом. Эта статья — описание процесса оптимизации системы питания автономных устройств, разрабатываемых в рамках одного из наших проектов.
Для одного из крупных проектов нам нужно было разработать систему сбора и обработки информации, состоящую из небольших датчиков с автономным питанием, передающим собранные данные на пульт оператора по радиоканалу.
Ключевые требования к разрабатываемой системе — минимальный вес, минимальные размеры элементов, простая и быстрая установка на местности, высокая скорость и надежность доставки данных, доступные элементы питания и возможность их замены.
Исходные требования к системе питания
Одно из основных требований — время автономной работы в районе 240 часов, чтобы как можно реже возникала необходимость в замене элементов питания.
Приблизительная оценка потребляемой мощности была проведена на основании данных о потреблении других автономных устройств. Устройство, работающее от одного элемента питания АА на протяжении 240 часов, казалось вполне реализуемым.
Первоначальную оценку я провел так:
- Оценим емкость коммерческих «батареек». Используем данные добросовестных исследователей. На графиках показаны эффективные емкости элементов питания при разряде разными токами. Синие колонки — емкость элементов питания при разряде минимальным, в проведенных испытаниях, током 200 мА. Емкость средней «батарейки» оценивается как 2500 мА*ч, для тока разряда 200 мА.
- Оцениваем потребляемую мощность похожего устройства. Есть устройство, которое потребляет около 1 мА от 12В, что составляет 12 мВт.
- Рассчитываем время автономной работы устройства. Емкость «батарейки» оценили как 2500 мА*ч, номинальное напряжение 1.5В, таким образом, время работы при потреблении 12 мВт можно рассчитать:
Ток потребления = (Потребляемая мощность)/(номинальное напряжение)=12 мВт/1.5В = 8 мА
Время автономной работы = (Емкость, мА*ч)/(ток потребления мА) = 2500 мА/ 8 мА = 312 часов.
Не менее 300 часов. Вот так.
Специфика применения системы такова, что коммерческие щелочные элементы питания типоразмера АА, «пальчиковые батарейки», лучше всего подходили на роль основного элемента питания.Одна из основных причин выбора — такую батарейку можно купить в любом магазине мира.
Разработка прототипа схемы питания датчика
Осуществлять питание схемы датчика непосредственно от батарейки невозможно. Необходима разработка схемы питания для формирования нужных для электроники напряжений.
Для этого нам нужно определиться с входными и выходными напряжениями схемы и требуемой мощностью (током потребления).
Определить выходные напряжения просто:
- Для питания контроллера и всей периферии датчика требуется напряжение 3.3В.
- Для питания ВЧ усилителя радиомодема — 3.6В.
Ожидаемый ток потребления мы тоже можем предварительно оценить:
- Для общей шины питания 3.3В, в дежурном режиме, около 4–6 мА.
Определить напряжение на входе схемы тоже не сложно. Основной элемент питания — щелочная «пальчиковая батарейка»:
- Входное напряжение от 1 до 1.5В.
Вроде бы все получилось, но есть нюансы:
- Ток потребления радиомодема при передаче высокий. Подразряженая «батарейка» не способна мгновенно отдать значительную мощность. Напряжение на ней «просядет», из-за большого внутреннего сопротивления, устройство выключится. Нужен накопитель, который медленно запасает энергию, пока не происходит передачи по радиоканалу. А во время передачи обеспечивает необходимую мощность.
- Типоразмер элементов питания АА используется не только для щелочных «батареек». В таком же типоразмере выпускаются никель-металлгидридные аккумуляторы, литий-тионил-хлоридные элементы питания Saft. И даже Li-Ion аккумуляторы типоразмера 14500, что соответствует размеру АА. Такое разнообразие увеличивает диапазон входных напряжений. Полностью заряженный Li-Ion аккумулятор имеет выходное напряжение до 4.2В.
Чтобы система питания была совсем универсальна, она должна сохранять работоспособность в диапазоне входных напряжений от 1 до 4.2В.
Небольшой нюанс приносит серьезные усложнения в схему. Входное напряжение может оказаться как ниже выходного, так и выше, схема должна уметь и повышать напряжение и понижать. Отыскать подходящую микросхему, которая одновременно могла бы понижать и повышать напряжение, мне не удалось, из-за очень низкого входного напряжения в 1 В. Я разработал схему, которая повышала входное напряжение до промежуточного уровня 5В, а потом понижала до требуемого напряжения 3.3В.
Напряжение питания 3.3В питает все элементы схемы и специализированный преобразователь, заряжающий суперконденсатор до напряжения 4В. Конденсатор обеспечивает накопление энергии и обеспечивает питание радиопередатчика, при помощи buck-boost преобразователя.
С такой схемой питания были собраны прототипы датчиков. Программист разработал ПО для датчиков. После длительной отладки и ряда усовершенствований получились первые образцы устройств. Начались испытания.
Время непрерывной работы устройства от одного элемента питания АА «DuraCell TurboMAX» составило 33 часа. От «супер батарейки», литиевой «Energizer Ultimate Lithium» — 55 часов. Для обычного щелочного элемента питания время жизни оказалось в 10 раз меньше требуемого.
Переход на два элемента питания АА
Время непрерывной автономной работы необходимо было увеличивать. Самый простой путь — увеличить количество элементов питания. Требования к весу и габаритам были выдвинуты жесткие, поэтому увеличить количество элементов удалось только до 2 шт.
Увеличение количества элементов питания изменило требования к схеме питания. Элементы питания соединяются последовательно, а значит, входное напряжение удваивается. Было 1В — 4.2В, стало 2В — 8.4В.
Максимальное допустимое напряжение на входе разработанной схемы питания определяется входным преобразователем и составляет 5.5В. А значит, что схема питания не подходит для датчика или необходимо ограничить круг применимых элементов питания. Мы пошли по второму пути — отказались от Li-Ion аккумуляторов и литий-тионил-хлоридных элементов питания Saft. Быстро переработать схему питания не представлялось возможным.
Измерение времени работы датчиков от двух элементов питания без изменения схемы питания показали следующие результаты:
- От 2 элементов питания «Energizer Ultimate Lithium» те же устройства проработали около 120 часов.
- От 2 элементов питания АА «DuraCell TurboMAX» время работы составило около 70 часов.
Время непрерывной работы увеличилось в 2 раза, но все еще было неудовлетворительным.
Следующим шагом к увеличению времени автономной работы была оптимизация КПД схемы питания.
Измерение КПД преобразователей и общего КПД схемы питания
В рамках работ по оптимизации схемы питания я провел ряд исследований преобразователей, на которых построена схема.
Входной повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь построен на микросхеме LTC3422EDD Linear, в изначальной версии преобразователь формировал на выходе напряжение 5В:
Для преобразователя на базе LTC3422EDD я измерил зависимости КПД от тока нагрузки преобразователя при напряжении питания преобразователя 1.5В и 3.0В, для выходных напряжений 3.3В и 5В:
Зависимость КПД преобразователя от входного напряжения при постоянной нагрузке, P=50 мВт, характерной для рабочего режима датчика, при выходном напряжении преобразователя 3.3В и 5В:
Исследование КПД повышающего преобразователя показывает, что использование двух элементов питании и снижение выходного напряжения преобразователя до 3.3В приводит к повышению КПД преобразователя на величину до 20% для характерной мощности потребления 50 мВт. При использовании 1 элемента питания и выходном напряжении 5В КПД составляет около 70% (красный график на рис. 1., выходной ток от 5 до 14 мА). При использовании 2 элементов питания и снижения выходного напряжения до 3.3В КПД достигает 89% (синий график на рис. 2., выходной ток от 5 до 19 мА).
Также можно ожидать улучшения КПД во всем диапазоне работы элементов питания. Для одного элемента питания диапазон рабочего напряжения 0.9–1.5В. Наилучший КПД для свежего элемента питания, по графику рис. 3, составляет 69%. Тогда как худшее значение КПД, при использовании двух разряженных элементов питания с остаточным напряжением 1.1В+1.1В=2.2В, составит по графику рис. 3 около 79%. Для комплекта свежих элементов питания ожидаемый КПД до 84%.
Возрастает и нагрузочная способность преобразователя при использовании 2х элементов питания. Для одного элемента питания КПД значительно падает при потребляемом токе более 20 мА, тогда как при использовании 2х элементов питания преобразователь сохраняет высокое значение КПД при токе нагрузке более 100 мА.
Снижение выходного напряжения повышающего преобразователя до 3.3В увеличивает время непрерывной работы на 20%, за счет увеличения КПД преобразователя.
Снижение выходного напряжения также повышает нагрузочную способность преобразователя.
Так же, я оценил зависимость КПД от тока нагрузки преобразователя при снижении выходного напряжения до 3.3В:
При использовании 2 элементов питания и снижении выходного напряжения до 3.3В, достигается не только повышение КПД, но и повышение нагрузочной способности преобразователя более чем в 2 раза.
Понижающий преобразователь на 3.3В
Понижающий преобразователь построен на микросхеме LTC3406 Linear. В начальной версии преобразователь формировал на выходе напряжение 3.3В из промежуточного напряжения 5В:
Для преобразователя на базе LTC3406 я измерил зависимость КПД от тока нагрузки
при входном напряжении 5В.
Оценка КПД преобразователя, формирующего напряжение питания 3.3В, показала значение около 70% при характерных для основного режима работы тока потребления 50 мВт.
Оценка общего КПД схемы питания
Для первоначального исполнения схемы питания оценку КПД получаем путем умножения КПД повышающего преобразователя и КПД преобразователя 3.3В.
Если использовать 2 элемента питания, снизить выходное напряжение повышающего преобразователя до 3.3В и исключить преобразователь, который формировал 3.3В до этого, КПД схемы питания будет равен КПД повышающего преобразователя:
**Получаем необходимые для оптимизации схемы действия:
- Использовать 2 элемента питания.
- Повышающий преобразователь перенастроить на выходное напряжение 3.3В.
- Исключить понижающий преобразователь.**
Оптимизированная схема питания
По результатам исследований я разработал упрощенную, но более оптимальную схему питания датчиков:
Два элемента питания, включенные последовательно, подключаются к повышающему преобразователю, который формирует напряжение питания 3,3В для питания всей электроники устройства. Специализированный преобразователь заряжает суперконденсатор, от которого питается ВЧ усилитель во время передачи по радиоканалу через преобразователя buck-boost.
Время непрерывной работы устройства увеличилось более чем в 2.5 раза и достигло приемлемого времени автономной работы 120 часов от обычных «пальчиковых батареек». При использовании литиевых элементов питания «Energizer Ultimate Lithium» время автономной работы достигло 200 часов.
Результаты оптимизации
По моему опыту, схема питания автономно работающих устройств — это всегда компромисс между требуемой функциональностью и временем автономной работы. Мне удалось в 4 раза увеличить время автономной работы через отказ от универсальности. Мы исключили дорогие и редкие элементы питания. При этом мы сохранили требование, которое считали важным — применяются элементы питания «из магазина». Для получения большего времени автономной работы можно использовать более редкие и дорогие, но все равно легко доступные, коммерческие элементы питания.
Разработка уникальных устройств — это всегда оценка многих вариантов реализации. Найти компромисс между полнотой функционала, стоимостью, надежностью и сложностью технической реализации — главная задача инженера.
