История о том, как мы оптимизировали схему питания автономных датчиков сбора, обработки и передачи информации.
Мы добились снижения стоимости электроники, веса датчика и немного увеличили его габаритные размеры.
В статье описана эволюция схемы питания автономных датчиков сбора и обработки информации.
Постараюсь кратко рассказать обо всех этапах совершенствования схемы.
Начну рассказ с разработки прототипа, отвечающего всем требованиям, кроме основного.
Расскажу о попытке с минимальными усилиями довести работу схемы до требований, просто за счет увеличения количества батареек.
Опишу поиск и анализ причин несоответствия параметров схемы.
В заключительной части я представлю оптимизированную схему и сравнение до и после.
Надеюсь, мой опыт будет вам полезен при разработке устройств с автономным питанием.
Я работаю в Uniscan Research. Мы превращаем высокотехнологичные устройства в серийную продукцию.
Данная статья представляет собой описание процесса оптимизации системы электропитания автономных устройств, разработанного 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, передающих собранные данные на пульт оператора по радиоканалу.
Ключевые требования к разрабатываемой системе — минимальный вес, минимальные габариты элементов, простая и быстрая установка на месте, высокая скорость и надежность доставки данных, доступные аккумуляторы и возможность их замены.
Исходные требования к энергосистеме
Одно из главных требований — время автономной работы около 240 часов, чтобы необходимость замены аккумуляторов возникала как можно реже.Приблизительная оценка энергопотребления была сделана на основе данных о потреблении других автономных устройств.
Устройство, работающее от одной батарейки АА в течение 240 часов, казалось вполне реальным.
Первичную оценку я сделал так:
- Прикинем емкость коммерческих «батарейок».
Мы используем данные добросовестных исследователей.
На графиках показаны эффективные емкости аккумуляторов при разряде разными токами.
Синие столбцы – емкость аккумулятора при разряде минимальным током 200 мА в проведенных тестах.
Емкость среднего «аккумулятора» оценивается в 2500 мАч, при токе разряда 200 мА.
- Оценим энергопотребление аналогичного устройства.
Существует устройство, которое потребляет около 1 мА при напряжении 12 В, что составляет 12 мВт.
- Рассчитаем время автономной работы устройства.
Емкость «аккумулятора» оценивалась в 2500 мАч, номинальное напряжение 1,5В, поэтому время работы при потреблении 12 мВт можно рассчитать:
Минимум 300 часов.
Так.
Специфика применения системы такова, что в качестве основной батареи лучше всего подходят коммерческие щелочные батареи типоразмера АА, «штыревые батарейки».
Одной из основных причин выбора является то, что такой аккумулятор можно купить в любом магазине мира.
Разработка прототипа схемы питания датчика
Запитать схему датчика напрямую от аккумулятора невозможно.Необходимо разработать силовую схему для формирования напряжений, необходимых для электроники.
Для этого нам необходимо определиться с входным и выходным напряжением схемы и необходимой мощностью (потребляемым током).
Определить выходные напряжения просто:
- Для питания контроллера и всей периферии датчика необходимо напряжение 3,3 В.
- Для питания усилителя ВЧ радиомодема - 3,6В.
- По общей шине питания 3,3В, в режиме ожидания около 4-6 мА.
Основная батарея — щелочная батарея типа АА:
- Входное напряжение от 1 до 1,5В.
- Потребление тока радиомодемом во время передачи велико.
Разряженная «батарея» не способна мгновенно отдать значительную мощность.
Напряжение на нем «просядет», из-за большого внутреннего сопротивления устройство выключится.
Нам нужно устройство хранения, которое медленно сохраняет энергию до тех пор, пока не произойдет радиопередача.
И при передаче обеспечивает необходимую мощность.
- Батарейки типоразмера АА используются не только для щелочных батарей.
Никель-металлогидридные аккумуляторы и литий-тионилхлоридные аккумуляторы Saft выпускаются одного типоразмера.
И даже аккумуляторы Li-Ion типоразмера 14500, что соответствует типоразмеру АА.
Такое разнообразие увеличивает диапазон входных напряжений.
Полностью заряженный литий-ионный аккумулятор имеет выходное напряжение до 4,2 В.
Небольшой нюанс вносит в схему серьезные осложнения.
Входное напряжение может быть как ниже, так и выше выходного напряжения; схема должна иметь возможность как увеличивать, так и уменьшать напряжение.
Мне не удалось найти подходящую микросхему, которая могла бы одновременно понижать и повышать напряжение, из-за очень низкого входного напряжения 1 В.
Я разработал схему, повышающую входное напряжение до промежуточного уровня 5 В, а затем уменьшающую его до необходимое напряжение 3,3В.
Напряжение питания 3,3 В питает все элементы схемы и специализированный преобразователь, заряжающий суперконденсатор до напряжения 4 В.
Конденсатор обеспечивает накопление энергии и подает питание на радиопередатчик с помощью повышающе-понижающего преобразователя.
Прототип датчиков был собран с этим источником питания.
Программист разработал программное обеспечение для датчиков.
После длительной отладки и ряда доработок были выпущены первые образцы устройств.
Испытания начались.
Время непрерывной работы устройства от одной батарейки АА «DuraCell TurboMAX» составило 33 часа.
От «супербатареи» литиевой «Energizer Ultimate Lithium» — 55 часов.
У обычной щелочной батареи срок службы оказался в 10 раз меньше требуемого.
Переход на две батарейки АА
Необходимо было увеличить непрерывное время автономной работы.Самый простой способ — увеличить количество батареек.
Требования к весу и габаритам были строгими, поэтому увеличить количество элементов удалось лишь до 2 штук.
Увеличение количества аккумуляторов изменило требования к схеме электропитания.
Источники питания подключаются последовательно, что означает, что входное напряжение увеличивается вдвое.
Было 1В – 4,2В, сейчас 2В – 8,4В.
Максимально допустимое напряжение на входе разрабатываемой силовой схемы определяется входным преобразователем и составляет 5,5В.
Это означает, что схема питания не подходит для датчика или необходимо ограничить диапазон применимых аккумуляторов.
Мы пошли по второму пути — отказались от Li-Ion аккумуляторов и литий-тионил-хлоридных аккумуляторов Saft. Быстро переработать схему электропитания не удалось.
Замер времени работы датчиков от двух аккумуляторов без изменения схемы питания показал следующие результаты:
- Используя 2 батареи Energizer Ultimate Lithium, те же устройства проработали около 120 часов.
- При использовании 2 батареек AA DuraCell TurboMAX время работы составило около 70 часов.
Следующим шагом к увеличению срока службы батареи стала оптимизация эффективности силовой цепи.
Измерение эффективности преобразователя и общей эффективности силовой цепи
В рамках работы по оптимизации силовой схемы я провел ряд исследований преобразователей, на которых построена схема.
Входной повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь построен на микросхеме LTC3422EDD Linear; в исходном варианте преобразователь генерировал выходное напряжение 5В:
Для преобразователя на базе LTC3422EDD я измерил зависимость 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 Р = 50 мВт, характерной для режима работы датчика, при выходном напряжении преобразователя 3,3В и 5В:
Исследование эффективности повышающего преобразователя показывает, что использование двух аккумуляторов и снижение выходного напряжения преобразователя до 3,3В приводит к увеличению КПД преобразователя до 20% при типичной потребляемой мощности 50 мВт. При использовании 1 аккумулятора и выходном напряжении 5В КПД составляет около 70% (красный график на рис.
1, выходной ток от 5 до 14 мА).
При использовании 2-х аккумуляторов и снижении выходного напряжения до 3,3В КПД достигает 89% (синий график на рис.
2, выходной ток от 5 до 19 мА).
Вы также можете ожидать повышения эффективности во всем диапазоне работы от аккумулятора.
Для одной батареи диапазон рабочего напряжения составляет 0,9-1,5В.
Лучший КПД для свежего аккумулятора, согласно графику на рис.
3, составляет 69%.
Тогда как наихудшее значение КПД при использовании двух разряженных аккумуляторов с остаточным напряжением 1,1В+1,1В=2,2В составит согласно графику рис.
3 около 79%.
Для комплекта свежих батареек ожидаемый КПД составляет до 84%.
Нагрузочная способность преобразователя также увеличивается при использовании 2-х аккумуляторов.
У одной батареи КПД существенно падает при токе потребления более 20 мА, тогда как при использовании 2-х батарей преобразователь сохраняет высокое значение КПД при токе нагрузки 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 увеличивает нагрузочную способность преобразователя.
Также я оценил зависимость КПД от тока нагрузки преобразователя при снижении выходного напряжения до 3,3В: 
При использовании 2-х аккумуляторов и снижении выходного напряжения до 3,3В достигается не только повышение КПД, но и увеличение нагрузочной способности преобразователя более чем в 2 раза.
Понижающий преобразователь 3,3 В
Понижающий преобразователь основан на микросхеме LTC3406 Linear. В начальном варианте преобразователь формировал выходное 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, вырабатывающего напряжение питания 3,3В, показала значение около 70% при токе потребления 50 мВт, типичном для основного режима работы.
Оценка общего КПД схемы электропитания
Для первоначального проектирования схемы питания оценка эффективности получается путем умножения КПД повышающего преобразователя на КПД преобразователя 3,3 В.
Если использовать 2 аккумулятора, уменьшить выходное напряжение повышающего преобразователя до 3,3В и исключить преобразователь, который раньше генерировал 3,3В, то КПД силовой цепи будет равен КПД повышающего преобразователя: 
**Получаем действия, необходимые для оптимизации схемы:
- Используйте 2 батареи.
- Перенастройте повышающий преобразователь на выходное напряжение 3,3 В.
- Устраните понижающий преобразователь.
**
Оптимизированная схема питания
По результатам исследований я разработал упрощенную, но более оптимальную схему питания датчика:
Две последовательно соединенные батареи подключаются к повышающему преобразователю, который генерирует питающее напряжение 3,3В для питания всей электроники устройства.
Специальный преобразователь заряжает суперконденсатор, который питает радиочастотный усилитель во время радиопередачи через повышающе-понижающий преобразователь.
Время непрерывной работы устройства увеличилось более чем в 2,5 раза и достигло приемлемого времени автономной работы — 120 часов от обычных батареек АА.
При использовании аккумуляторов Energizer Ultimate Lithium время автономной работы достигло 200 часов.
Результаты оптимизации
По моему опыту, схема питания автономных устройств всегда представляет собой компромисс между требуемой функциональностью и временем автономной работы.
Мне удалось увеличить срок службы батареи в четыре раза, отказавшись от универсальности.
Мы исключили дорогие и редкие аккумуляторы.
При этом мы сохранили требование, которое считали важным — используем аккумуляторы «из магазина».
Чтобы продлить срок службы батареи, вы можете использовать более редкие и дорогие, но все же легко доступные коммерческие батареи.
Разработка уникальных устройств всегда предполагает оценку множества вариантов реализации.
Найти компромисс между полнотой функциональности, стоимостью, надежностью и сложностью технической реализации – основная задача инженера.
Теги: #Производство и разработка электроники #электроника #схемотехника #источники питания
-
Работаем С Google Bigquery. Считаю Деньги
19 Oct, 24 -
Разваливающийся Тигр, Скрытый Каньон
19 Oct, 24 -
Домены Под Снос
19 Oct, 24 -
Касперский В Два Раза Дешевле И Даже Дешевле
19 Oct, 24
