Выбор элементной базы для аккумуляторного питания небольшого устройства
Получил задание на разработку батарейного устройства с NFC, радиообменом в сети Z-wave и рядом других особенностей. Тема статьи касается электропитания данного устройства, поэтому подробного описания назначения и функций устройства не будет. Оно должно работать как от батареи, так и от сети постоянного тока 5–12 вольт. При питании от аккумулятора устройство потребляет около 200 мкА (периодическое сканирование NFC). При подносе карты потребление вырастает примерно до 400 мА в течение 0.5 секунды. Устройство должно работать на улице круглогодично и быть по габаритам максимально близким к кредитной карте и толщиной не более 2 см. Срок эксплуатации устройства до замены аккумулятора 2–3 года. Планируемая серийности несколько тысяч штук.
Кому интересны рассуждения дилетанта, решающего проблему энергопитания устройства, прошу под кат.
Выбор аккумулятора
Немного о безопасности
Выбор связки зарядка dc/dc
Изготовление платы зарядки
Тесты платы зарядки
Изготовление платы стенда
Заключение
Выбор аккумулятора
Вопрос первый. Съёмный аккумулятор или нет.
Если съёмный, то по габаритным размерам в устройстве может поместиться две батарейки типоразмера ААА.
К их достоинствам относится:
- лёгкость замены;
- экономия на электронной обвязке. От двух батареек можно питать целевую электронику напрямую;
- малая цена.
Минусы:
- на малых партиях для литься на ТПА автомате дополнительные детали корпуса существенно увеличивают цену итогового продукта.
- удельная ёмкость типоразмера ААА меньше чем у призматических аккумуляторов.
Первый минус перевесил все достоинства. При планируемой серии корпус должен иметь простые формы и состоять из простых деталей. Подробнее об этом в одной из следующих статей. Аккумулятор будет несъёмным.
Рассмотрим аккумуляторы li-ion, li-po и liFePo4. Они имеют много общего. Многие микросхемы зарядки поддерживают все эти типы. Объединяет их большой ток разряда (например li-po для ёмкости 1400 мАч можно разряжать током до 2800 мА https://www.eemb.com/public/Download/Rechargeable-Lithium-Battery/Li-Polymer-Battery/Standard-Version/LP112945.pdf)
Большая плотность заряда. Относительно большое время саморазряда (в разных источниках появляются цифры от 1 до 10% в каждый месяц или год).
Ёмкости аккумулятора в 1000 мАч должно хватить на 3 месяца работы средней загруженности. Поэтому саморазрядом можно пренебречь. Следующий критерий это потеря ёмкости после нескольких сотен зарядок. Этому сильнее подвержены li-ion и li-po аккумуляторы. Но даже если заряжать каждый месяц, заметные потери в ёмкости наступят через многие годы, скорее всего аккумулятор выйдет из строя по другой причине. LiFePo4 в малом корпусе найти не смог (он мне казался наиболее перспективным из-за его морозостойкости). Но благодаря контекстной рекламе наткнулся на статью про морозостойкие li-po аккумуляторы. С тех пор эти аккумуляторы стали основными в данном проекте. Конечно, нашлись морозостойкие аккумуляторы и среди li-ion, но по тем или иным причинам от них пришлось отказаться. Где-то была большая цена, где-то не подходили по своим размерам. Решено было использовать аккумулятор LP104453LC фирмы EEMB. Ёмкостью 2500 мАч при габаритах 10×44х53 мм.
Немного о безопасности
Если не соблюдать ограничения при эксплуатации аккумуляторов, они могут раздуваться, дымиться и взрываться.
Из datasheet на выбранный аккумулятор: не горит и не взрывается от перезаряда, нагревания до 130 градусов, короткого замыкания и прочих издевательств. Когда-то в юности заряжал одному бедному офицеру, у которого не было денег на обычные сигареты, аккумулятор от электронной сигареты. Аккумулятор был li-ion без платы защиты. Заряжать приходилось лабораторным блоком питания, а проверять уровень заряда мультиметром. Очередной раз, заряжая севший аккумулятор, отвлёкся на пару минут. Результат не заставил себя долго ждать. Много дыма, шума и неприятного запаха. Огня не было. Хоть li-po аккумуляторы менее подвержены возгоранию и взрывам, но на плате защиты было решено не экономить.
Комплектация у данного аккумулятора может быть разная. Можно купить голый аккумулятор, можно с платой защиты (PCM — protection circuit module), и самый навороченный вариант с платой защиты и термистором. Плата защиты не даёт аккумулятору разрядиться ниже порогового значения (3 вольта), не даёт заряжать напряжением больше 4.28 вольт, защищает от короткого замыкания, ограничивает максимальный ток разряда и потребляет 3–7 мкА. Вариант с термистором имеет 3 провода для подключения к микросхеме зарядки. Данный тип аккумуляторов можно заряжать при температуре 0–45 градусов. За этим уже должна следить микросхема зарядки.
Выбор связки зарядка dc/dc
Аккумулятор выбран, его нужно заряжать, а выдаваемое им напряжение стабилизировать до 3.3 вольт. Полностью заряженный аккумулятор выдаёт 4.2 вольта, а разряженный, перед тем как его отключит плата защиты, будет выдавать 3 вольта.
Тут вариантов ещё больше. Все они делятся на две группы: микросхема заряда аккумулятора и отдельная микросхема понижающего регулятора на 3.3 В, или единая микросхема объединяющая обе функции в одном корпусе.
Рассмотрим вариант 2 в 1
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3558.pdf
Эта микросхема подходит для зарядки li-po аккумулятора, выдаёт стабилизированный ток, имеет довольно высокий ток заряда (950 мА), довольно высокий ток потерь в экономном режиме только у DC/DC (35–50 мкА). Очень низкий КПД на токах ниже 100 мА (40–45%). А так же довольно высокая цена 2.4$ в партии из нескольких тысяч.
Теперь подробнее про эти параметры.
Заряжать устройство планируется от телефонной зарядки или от проводов, подключаемых к клеммнику, с напряжением до 12 вольт, ток заряда должен быть не ниже 1 А. Вариант выше не подходит по входному напряжению. Он не может принимать на вход 12 вольт. Для стабилизации напряжения с аккумулятора (4.2–3 вольта) в 3.3 вольта нужен DC/DC stepdown converter (понижающий преобразователь). Поскольку логика на разрабатываемом устройстве работает в диапазоне от 2.6 до 3.4 вольта, то повышать напряжение не нужно. Поясню. Когда напряжение на аккумуляторе опустится до 3.2 вольта, понижающий преобразователь не будет понижать это напряжение, а передаст его на выход (возможно, несколько уменьшив). И вместо 3.3 вольт на выходе будет 3.2 вольта.
Если напряжение на аккумуляторе опустится до 3.2В это будет соответствовать тому, что аккумулятор разрядился на более чем 90%. При дальнейшем разряде скоро сработает плата защиты и защитит его от переразряда. Так что долго электроника не будет работать на напряжении ниже 3.3В.
Таким образом, повышать напряжение с аккумулятора не нужно.
Разрабатываемое устройство потребляет ток в широком диапазоне: от сотен микроампер до сотен миллиампер. К сожалению, найти DC/DC преобразователь с высоким КПД мне не удалось. Подозреваю, что это не возможно за разумные деньги. Если преобразователь способен выдавать стабилизированный ток 200–500 мА, то на токах более 10 мА его КПД может быть 90 и 95%. Но при нагрузке, потребляющей менее 1 мА, КПД резко падает (иногда до 20%). Однако, существуют маломощные преобразователи, у них регламентированный КПД на токе 100 мкА в районе 70%, но выходной ток до 50 мА. Это мало для текущего проекта. Здесь, как и везде придётся искать компромисс.
Ещё параметр, связанный с КПД, это потребление на холостом ходу. У микросхемы выше он довольно большой (до 50 мкА, это только для преобразователя, потреблять ещё будет часть, отвечающая за зарядку аккумулятора).
Найти микросхему »2 в 1» питающуюся от 12 вольт мне не удалось. Самое большое напряжение было 8 вольт.
Рассмотрим связку микросхема зарядки + DC/DC.
LTC4090
Зарядка от USB до 1.5А. Бесперебойная работа от USB и батареи. Ток на холостом ходу около 60 мкА (довольно много).
LTC4098
Ток холостого хода около 25 мкА (гораздо лучше). Но КПД на низких токах низкий.
LTC4067
Защита от входного напряжения больше 13 вольт. На случай если пользователь захочет подключить провода с напряжением 24 В.
Ток заряда до 2 А (хорошо).
Цена на крупную партию 1.7$ www.analog.com/en/products/ltc4067.html#product-discussions
Однако требуется внешний силовой ключ.
Информации в документации о потреблении тока не нашёл.
Главный недостаток этой микросхемы в том, что она входное напряжение преобразует в напряжение заряда аккумулятора через линейный преобразователь. Это значит, что в малом тесном пластиковом корпусе будет выделяться большое количество тепла. Если это и не приведёт к деформации пластика, то срок службы аккумулятора уменьшится. Обозначим ещё один критерий: преобразование напряжения должно быть импульсное.
LTC3553
Хороший КПД на низких токах. Низкий ток заряда батареи (400 мА). Малый выходной ток 200 мА.
LTC3404 дорогой DC-DC
Высокий КПД на низких токах (при токе нагрузки 100 мкА КПД около 80%)
Высокая цена на большой партии (2.7$).
Данные по сравнению микросхем не могу привести, потому-что, во время поиска менялись критерии отбора. По мере погружения в тему появлялись новые знания и уже исходя из них отсеивались новые кандидаты.
В итоге выбор пал на зарядку BQ25618 и DC/DC ADP2108.
Немного о выбранных компонентах.
Зарядка BQ25618 поддерживает ток заряда до 1.5 А, принимает на вход от 5 до 13,5 вольт, не требуется внешний транзистор, средняя цена (около 140 рублей на большой партии), вход для термистора, низкий ток покоя (10 мкА).
Плюс всевозможные проверки и защиты для безопасной эксплуатации аккмулятора. Главный минус и неудобство оказалось в возможности настройки этой микросхемы по интерфейсу i2c. Без настройки максимальный ток заряда ограничен 340 мА 
Но один раз настроить микросхему по i2c мало. В микросхеме работает watchdog. Отключать его не стал. Раз он есть, значит микросхема может себя неадекватно повести, что может привести к выходу аккумулятора из строя. Поэтому во время зарядки каждые 30 секунд сбрасываю watchdog по i2c.
Было бы удобнее настроить ток и режимы работы через резисторы и ножки микросхемы и забыть о ней.
ADP2108
Нагрузка до 600 мА, ток покоя из datasheet 18 мкА (я измерил 35 мкА), низкая цена (63 рубля вместе с обвязкой), высокий КПД даже на малых токах
Изготовление платы зарядки
Чтобы проверить работу связки зарядка + DC/DC + аккумулятор была разработана и изготовлена плата.
Поскольку плата тестовая, то на ней много лишних штырей для джамперов, и подключения измерительной аппаратуры.
Схемы были взяты из документации на микросхемы. От себя добавил защиту от переполюсовки и от внешних высоковольтных (сотни вольт) наводок. Для защиты от переполюсовки был поставлен p-канальный транзистор. Ставить диод в данную схему нельзя, потому что при нормальной работе на нём будет теряться значительная мощность, которая в виде тепла будет греть в тесном корпусе аккумулятор. Прямое падение напряжения на диоде пусть будет 0.3 в, а ток через него 1.5 А, получаем обогреватель мощностью 0,5 Вт во время зарядки аккумулятора. Да и размеры диода для рассеивания такой мощности будут уже существенные.
Для защиты от наводок была выбрана сборка TVS диодов ESDA14V2L. Это быстродействующие диоды которые сбрасывают на «землю» платы высоковольтные импульсы до 300 Вт. От разрядов молнии это не защитит, но от большинства наводок в длинных проводах спасёт. Недавно работал с пятью устройствами с интерфейсом RS-485. Устройства одинаковые, интерфейсная микросхема защиты не имеет. Но у них была проблема. С другими устройствами они, то работали, то не работали. Оказалось, у всех сгорела линия «В» интерфейса RS-485.
К сожалению фото взорвавшихся резисторов на входе в микросхему не сохранились, привожу осциллограмму каналов А и В во время передачи (канал В сгорел).
Цена TVS диодов около 10 рублей. Это самая простая и дешёвая защита от внешних наводок. А для ответственных устройств есть защита с рассеиванием импульсов до 4 кВ (это наводки от молнии, которая ударила где-то не очень близко, если близко, то уже ничто не спасёт). Кто хочет узнать больше вот статья https://www.compel.ru/lib/126096
Вырезы на плате были сделаны для другого проекта.
Тесты платы зарядки
На базе этой платы были проведены следующие замеры:
— ток покоя DC/DC — 10 мкА (как и обещала документация);
— ток покоя зарядника — 35 мкА;
— ток зарядки — 340 мА (для этапа зарядки с постоянным током).
Последний параметр долгое время заставлял нервничать. Все необходимые ножки микросхемы зарядки были настроены, так чтобы ток зарядки аккумулятора был 1,5 А. Внутренние регистры микросхемы, через интерфейс i2c, были настроены на большой ток. Но ток «подрос» только до 450 мА. В итоге оказалось, что мультиметр, из-за своего внутреннего сопротивления (0.8 Ом), оказывал влияние на микросхему зарядки. А она ограничивала ток заряда. Взял другой мультиметр с внутренним сопротивлением 0.3 Ом и приложил щупы непосредственно к штырям на плате, через которые идёт зарядка аккумулятора. Он показал ожидаемые 1,5 А. DC/DC не имеет настроек, поэтому с ним всё оказалось проще. Он выдавал стабильные 3–3.3 В в диапазоне входных напряжений 3–4.2 В.
Связка зарядка + DC/DC испытания прошла успешно. Но аккумулятор ёмкостью 2500 мА заряжается 5–6 часов. Это долго. Мы рассчитывали на 2–3 часа. Немного изменив напряжение зарядки аккумулятора с 4.2В до 4.35В удалось снизить время зарядки на 1 час. Но многочисленные источники предупреждали, что это приводит к преждевременному выходу из строя аккумулятора и быстрой потере ёмкости.
Было решено проверить, насколько ухудшатся параметры аккумулятора из-за «не безопасного» режима зарядки.
Изготовление платы стенда
Идея стенда для проверки довольно проста. Нужно измерить ёмкость аккумулятора, затем зарядить-разрядить его 100 раз и снова измерить ёмкость.
Для измерения ёмкости аккумулятора была приобретена «умная» зарядка. После окончания зарядки она показывает ёмкость аккумулятора в мАч.
В распоряжении было 4 одинаковых аккумулятора EEMB LP104453LC ёмкостью 2500 мАч. 2 аккумулятора заряжались в безопасном режиме, а 2 в форсированном. Тестовых образцов маловато, но была надежда уловить тенденцию. Особенно, если небезопасный режим, сильно себя проявит.
Поскольку микросхемы зарядки имеют одинаковый адрес на шине i2c, то невозможно задать разные настройки режимов зарядки аккумуляторов в одной сети i2c. Было решено сделать 2 стенда. 
Первую версию собрал на картонке. После отладки разработал плату на которой разместились основные узлы. Это не первая поделка на картоне. 
Это стенд для другого проекта. На нём очень много проводов и периодически они отпаивались. Оказалось очень удобно заказать большую плату и забыть о торчащих и путающихся проводах.
Вот «заводская версия» стенда.
Из-за частых переездов оба стенда приходилось часто перевозить с места на место. Всё время эксплуатации оба стенда работали без нареканий.
Один стенд тестирует 2 аккумулятора в безопасном режиме, а другой в форсированном.
Управляется стенд ардуино подобной платой ZUNo. Это 8-ми битный микроконтроллер с радио приёмо-передатчиком. Нужен для создания самодельных устройств совместимых с системой умного дома Z-wave. Никому не рекомендую и не заставляю специально покупать их для подобных задач, потому что они дорогие. Но у меня они есть, умею ими пользоваться и есть контроллер умного дома (ещё более дорогой). Зато, к сожалению, ни разу не работал с бесплатными облачными системами сбора и обработки данных домашней телеметрии. Поэтому сравнить по удобству не могу. Выбрал данный микроконтроллер из-за готовой инфраструктуры. На стороне контроллера есть интерфейс пользователя, который показывает число прошедших циклов заряд-разряд. Конечно, можно было бы подключить экранчик, но у меня это отняло бы больше времени.
Микроконтроллер периодически шлёт команды сброса сторожевого таймера и настройки внутренних регистров по шине i2c для микросхем зарядки аккумуляторов. Когда микросхема зарядки сообщает об окончании зарядки, микроконтроллер переключает аккумулятор с зарядки на нагрузку. Аккумулятор начинает разряжаться током около 0.8 А. Микроконтроллер отслеживает падение напряжения на аккумуляторе и по достижении порогового значения, переключает аккумулятор обратно на «зарядку».
Итоги эксперимента
Тестирование аккумуляторов с разными параметрами зарядки длится уже более месяца. За это время три из четырёх аккумуляторов раздулись. 
В настоящее время тестируется последний. Он уже прошёл более 170 циклов с бережными параметрами зарядки.
Прежде чем раздуться, все аккумуляторы проработали около 100 циклов. Из рекламных буклетов ожидал 300 циклов.
Все аккумуляторы после 100 циклов потеряли около 30% своей начальной ёмкости. Тоже нигде об этом не читал.
Результаты теста неудовлетворительные. По ним нельзя судить о вреде форсированной зарядки для аккумуляторов. Причину вижу в малом количестве образцов и в том, что они покупались в отечественном магазине (могли лежать на складе долгое время). В настоящий момент ожидаю поставку новой партии свежих аккумуляторов от производителя. Тест будет повторен. Если новые аккумуляторы справятся с ним лучше, то их ждёт испытание на морозе. Благо зима уже близко. А если нет, то вернусь к первому шагу и буду опять искать аккумулятор, но уже другого производителя.
Заключение
В результате проделанной работы были выбраны компоненты для питания автономного устройства. Компоненты хорошо себя зарекомендовали в составе тестовых устройств. Однако, чтобы окончательно закрыть вопрос связанный с энергопитанием необходимо дождаться новой партии аккумуляторов и продолжить тесты. Спасибо за внимание!
