Dlaczego napięcie nie pojawia się w obliczeniach żywotności baterii?

Mam płytkę drukowaną z kilkoma modułami radiowymi. W różnych stanach używa obecnie wszędzie pomiędzy 100 µA a 100 mA. Mogę obliczyć, ile czasu spędza w każdym ze stanów w danym roku.

Wszystkie moduły radiowe na mojej płytce drukowanej mają szeroki dopuszczalny zakres napięcia wejściowego. Mój główny procesor i moduł Bluetooth Low Energy na przykład akceptują wszystko od 1,8 V do 3,6 V. Obecnie pracuję na 3,0 V, używając obniżającego przetwornicę DC-DC.

Akumulator to litowo-jonowy 18650 ( arkusz danych ).

Po pełnym naładowaniu zapewnia około 4,3 V. Zmniejszę to do 3,0 V. Bateria ma pojemność 3400 mAh.

Zakładając, że średni prąd, który z niego czerpię, wynosi 400 µA. Moje obliczenia dotyczące żywotności baterii są po prostu:

czas (h) = pojemność (Ah) / prąd (A)

3,4 Ah / 400 µA = około roku

Teraz wiem, że aby zmniejszyć zużycie energii, powinienem prowadzić obwód przy możliwie najniższym napięciu, dlatego rozważam zmianę konwertera DC-DC i uruchomienie głównego procesora i modułu BLE na 1,8 V zamiast 3,0 V .

Moje pytanie brzmi: dlaczego napięcie nie pojawia się nigdzie w moich obliczeniach żywotności baterii?

Nie pojawia się w twoim równaniu, ponieważ równanie to zakłada, że ​​używasz akumulatora przy jego napięciu wyjściowym przez cały czas użytkowania bez konwersji.

W tym przypadku tak nie jest, ponieważ używasz konwertera obniżającego. Aby zbudować prawidłowe równanie, należy:

• pobierz Vavgbat : średnie napięcie akumulatora podczas całego cyklu rozładowania: wykres rozładowania w arkuszu danych akumulatora pokazuje, że wynosi on około 3,6 V dla niskich prądów, takich jak ten, którego używasz.
• zdobądź Iavgbat : średnio prąd, który będziesz pobierał z baterii podczas całego cyklu. To nie jest prąd, którego używasz na wyjściu przetwornika DC-DC (chyba chyba coś przegapiłeś). Jeśli mówimy, że prąd wyjściowy konwertera wynosi Iout , to Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / sprawność ( sprawność jest sprawnością konwertera DC-DC, zwykle około 80-90%, sprawdź arkusz danych).
• następnie zastosuj wspomnianą forum: time = pojemność / Iavgbat .

Teraz widzisz napięcie wyjściowe we wzorze.

Zatem jeśli pojemność = 3,4 Ah, Iout = 400µA i wydajność = 85%, mamy:

• czas = 8670 godzin (około roku) dla wyjścia 3 V.
• czas = 14450 godzin (ponad półtora roku) dla wyjścia 1,8 V.

Jeszcze jedno : biorąc pod uwagę duże czasy, myślę, że musisz uwzględnić samorozładowanie akumulatorów (lub prąd upływowy), które mogą być znaczące. Niestety nie widziałem tego w arkuszu danych dotyczących akumulatorów.

Informacje dodatkowe : Skąd bierze się wzór Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / efektywności ?

Wynika to z faktu, że przetwornica DC-DC, w przeciwieństwie do regulatora liniowego, jest w stanie wytwarzać (prawie) tyle mocy, ile pobiera z wejścia. Więc Pin = Pout / wydajność . Jeśli powiemy Pin = Vavgbat * Iavgbat i Pout = Vout * Iout , możemy otrzymać powyższą formułę.

Przeciwnie, w przypadku regulatora liniowego napięcie spada, bez żadnego wpływu na prąd wejściowy / wyjściowy. Tak więc Iavgbat byłby równy Iout (nie uwzględniając prądu spoczynkowego), co było twoim początkowym (niedokładnym) założeniem.

Moje pytanie brzmi: dlaczego napięcie nie pojawia się nigdzie w moich obliczeniach żywotności baterii?

Ponieważ w twoich obliczeniach brakuje jednego aspektu.

Możesz użyć dwóch rodzajów regulatorów napięcia:

• liniowy lub
• tryb przełączania obniżającego.

Teraz, w przypadku liniowości, energia na ładunek (= fizyczna definicja napięcia), która jest „za duża”, jest po prostu przekształcana w ciepło (a następnie tracona).

Prąd wchodzący do regulatora liniowego jest prawie taki sam, jak prąd wykorzystywany na regulowanym wyjściu. Moc wchodząca do regulatora jest wyższa niż wychodząca z niego - ponieważ prąd jest taki sam, ale napięcie jest niższe.

W przypadku konwerterów przełączających energia od strony „wejściowej” jest magazynowana, zwykle w polu magnetycznym wewnątrz cewki (ale dla niskich mocy, tanie i małe przełączane układy scalone regulatora napięcia pojemności również mogą mieć sens tam, gdzie energia jest przechowywany tylko w polu elektrycznym).

Wtedy tylko tyle napięcia jest „generowane” ze zgromadzonej energii, ile jest wymagane.

Oznacza to, że moc wchodząca do regulatora jest taka sama jak moc wychodząca (oprócz wydajności innej niż 100%), co oznacza, że ​​jeśli np. Połowę napięcia w regulatorze, regulator pobiera tylko połowę prądu dostarcza!

Teraz pytanie brzmi: jeśli wszystkie moduły obsługują szeroki zakres napięcia wejściowego, oznacza to, że wszystkie mają zintegrowane regulatory zasilania. Teraz, jeśli są one liniowe, prawdopodobnie masz prawo użyć konwertera obniżającego tryb przełączania w celu zwiększenia wydajności. Jeśli te moduły zawierają zasilacze impulsowe, nie powinieneś używać własnego regulatora - jest bardzo prawdopodobne, że kaskada regulatorów będzie mniej wydajna niż sama zintegrowana.

Niezależnie od wydajności konwertera (lub zakładając 100%), napięcie akumulatora jest wykorzystywane do obliczenia pojemności (mah) akumulatora. Dokładniej, użyteczny spadek napięcia , 1,4 V ( 4,2 V - 2,8 V).

W twoim konkretnym zastosowaniu spadek napięcia wynosi tylko 1,2 V (4,2 - 3,0), a faktyczna wydajność może wynosić 90%, oba skracają czas. Jednak twój średni prąd wynosi tylko 400uA, co zwykle wydłuża czas, więc twoja odpowiedź na około rok wydaje się słuszna.