L’importanza di una bassa corrente di quiescenza per una maggiore durata della batteria

Man mano che i nostri dispositivi diventano sempre più piccoli, la durata della batteria rappresenta una forte preoccupazione per i progettisti, considerando che le loro prestazioni e funzionalità saranno sempre più spinte con il passare degli anni.
L’estensione efficace della durata della batteria nei dispositivi futuri richiederà la padronanza della corrente di quiescenza (di riposo).

Questo articolo esamina il ruolo di una bassa corrente di quiescenza nel fornire una durata della batteria ottimale per i dispositivi indossabili, mobili e altri attuali (e futuri) intelligenti e connessi. Anche se è tipicamente nominale, la corrente di riposo può essere un fattore significativo nella gestione della durata della batteria per i dispositivi indossabili.

Che cosa rende possibile tutte le tendenze per indossabili e Internet of Things (IoT)? Patch mediche che misurano la temperatura corporea, forniscono l’insulina e monitorano la frequenza cardiaca devono durare a lungo e in modo affidabile. Inoltre, questi dispositivi in genere rimangono nei magazzini e armadietti dei medicinali per un lungo periodo di tempo prima dell’utilizzo da parte del paziente. Medici e utenti hanno bisogno della certezza che la batteria sia ancora in grado di alimentare il dispositivo offrendo una piena funzionalitàquando richiesto. “La proliferazione di dispositivi piccoli ed intelligenti, sta mettendo a dura prova la durata della batteria.” Allo stesso modo, gli smartwatch, auricolari e controller per videogiochi devono funzionare a lungo tra una ricarica ed un’altra.

Chi vuole sostituire le batterie o ricaricarle in continuazione, per non ritrovarsi con un dispositivo spento? Immaginiamo di dover fare a meno della batteria durante un lungo evento triathlon-style. Inoltre, dispositivi come contatori elettrici, rilevatori di gas e anche sistemi di automazione degli edifici e i sensori di campo, devono avere un tempo di utilizzo affidabile sul campo, dove si trovano a dover funzionare continuamente in background e non possono essere ricaricati frequentemente. A partire dall’assistenza sanitaria e biosensing, passando per i dispositivi indossabili e rilevamento ambientale, quasi tutti i dispositivi IoT si basano su batterie che devono lavorare in modo affidabile e prolungato per un lungo periodo di tempo e in una varietà di condizioni operative. In effetti, la durata della batteria ha raggiunto un livello critico di design.

 

UN VALORE DI MERCATO STIMATO DI 865.4 MILIARDI DI DOLLARI PER I DISPOSITIVI PORTATILI A BATTERIA A PARTIRE DAL 2020

Secondo Analysts, Inc., il mercato globale per prodotti portatili a batteria dovrebbe raggiungere 865,4 miliardi di dollari entro il 2020, “guidato dalla crescente necessità della mobilità tecnologia onnipresente nella corrente era networking delle reti wireless.“ Ogni nodo IoT ha bisogno di una batteria per funzionare. Una tipica famiglia di due persone potrebbe avere ovunque da 30 a 60 batterie in uso. Ogni dispositivo, ovviamente, avrà i suoi modelli energetici unici di utilizzo.
Esaminiamo ora come calcolare la durata della batteria e scopriamo perché la corrente di quiescenza è importante.

 

QUALI FATTORI INFLUENZANO LA VITA DI UNA BATTERIA?

Dopo la produzione, molti dispositivi IoT rimangono in shutdown, di solito sugli scaffali, fino a quando non vengono acquistati ed accesi per il loro utilizzo. Per la maggior parte della loro vita, questi dispositivi loT sono in modalità standby, devono “svegliarsi” periodicamente per eseguire alcune azioni o trasmettere dati verso un cloud. Questo scenario è particolarmente vero per prodotti come quelli ndossabili, e dispositivi di monitoraggio del fitness che gli utenti indossano per periodi di tempo relativamente brevi durante l’attività sportiva. Detto questo, c’è bisogno di scoprire ulteriori modi per migliorare il risparmio energetico quando i dispositivi sono in modalità passiva.[boris] I progettisti di sistema calcolano la durata della batteria in base alle correnti operative in diverse modalità quali attivo, inattivo e ibernazione dell’unità di controllo centrale, solitamente un microcontrollore. Sensori e radio controller associati funzioneranno anche all’unisono con il microcontrollore. L’alimentazione, il cui scopo è quello di fornire energia a tutti i blocchi funzionali di un sistema, è ovviamente essenziale. Mentre il consumo di corrente attiva è un fattore importante per l’estensione della vita di una batteria, il tempo di utilizzo della batteria stessa è alla fine influenzato dalla quantità di tempo trascorso in ogni modalità operativa. La corrente di standby di ciascuno componente diventa critica quando le funzioni di sleep e ibernazione vengono utilizzate per la maggior parte del tempo. In tali situazioni, la corrente di quiescenza dell’alimentatore è il fattore che contribuisce maggiormente al consumo di corrente in stand-by. Ad esempio, consideriamo un sistema alimentato con una batteria a bottone all’ossido d’argento da 40 mAh, 1,55 V con la durata media di un anno.

 

LA CORRENTE DI QUIESCENZA NON È QUELLA DI SHUTDOWN

Supponendo che il consumo di corrente sia di circa 4 ?A, riducendo la corrente di un singolo microamp si potrebbe aumentare la durata di conservazione della carica di circa tre mesi. Gli alimentatori sono generalmente costituiti da regolatori, come quelli switching che aumentano o riducono la tensione o quelli a basso dropout (LDO). Alcuni hanno anche circuiti integrati di gestione dell’alimentazione (PMIC) che coinvolgono più architetture e spesso anche un caricabatterie.

 

NON SOTTOVALUTARE L’IMPATTO DELLA CORRENTE DI QUIESCENZA

Quando un alimentatore è in standby, il consumo energetico è definito dalla corrente di quiescenza (IQ), riferita allo stato in quiete del circuito quando non sta controllando nessun carico e non vi è quindi passaggio di corrente effettiva. La corrente di riposo, sebbene nominale, può avere anche un impatto sostanziale sull’efficienza di trasferimento di potenza durante le operazioni effettive del carico. A volte, la corrente di riposo o di quiescenza è confusa con quella di shutdown. Con il termine corrente di quiescenza, si intende che il sistema è inattivo ma pronto a svegliarsi in qualsiasi momento per eseguire le richieste degli utenti. La corrente di shutdown, invece, si riferisce ad un dispositivo che è “dormiente”. I progettisti usano la corrente di riposo per valutare la dissipazione di potenza di un’alimentazione con carichi leggeri. Usano invece la corrente di shutdown per calcolare la durata quando il dispositivo è spento ma la sua batteria è collegata al regolatore. Per prolungare la durata della batteria in un dispositivo, è necessario progettare sempre con componenti quali microcontrollori a bassa potenza, sensori, radio e alimentatori efficienti. Anche tecniche di progettazione come i processi di fabbricazione CMOS Advanced-node aiutano a ridurre il consumo complessivo di un prodotto, che a sua volta potrebbe influire positivamente sulla durata della batteria. Alcuni progettisti opteranno per un convertitore boost per prolungare la durata della batteria quando la tensione scende a livelli bassi. Però, a meno che non sia stato selezionato il giusto convertitore, questo approccio può effettivamente tradursi in una maggiore corrente di riposo che limita la durata della batteria. Il fattore di forma del prodotto finale è un altro aspetto importante da considerare. I consumatori – e quindi i progettisti – cercano dispositivi sempre più piccoli e leggeri. La sfida è offrire una batteria efficiente in quanto è il componente più grande e più pesante su un dispositivo. Una batteria più piccola avrebbe, ovviamente, meno capacità, che è in contraddizione con la richiesta di una lunga durata. Quindi i progettisti devono bilanciare capacità e dimensioni con tecniche efficienti di gestione della potenza. Aumentare l’efficienza energetica di un sistema rappresenta un modo comune per offrire una lunga durata della batteria. Ha senso prestare molta attenzione alle specifiche delle correnti di quiescenza nei regolatori di potenza come i convertitori boost – minore è questa corrente, più è possibile prolungare la durata della batteria. Quello che è necessario, in particolare per i progetti di piccolissime dimensioni di oggi, è la tecnologia che può fornire sia una bassa corrente di quiescenza sia un fattore di forma più piccolo rispetto a ciò che è attualmente disponibile sul mercato. In questo caso, anche le correnti dell’ordine dei milliampere non sono abbastanza basse da avere un impatto sulla vita della batteria. I dispositivi wearable di oggi, oltre a quelli mobile e IoT, richiedono design con correnti operative dell’ordine dei nanoampere.

 

SCEGLIERE IL GIUSTO CONVERTITORE BOOST

I convertitori boost sono dispositivi DC-DC la cui tensione di uscita è maggiore di quella in ingresso. Guardando al mercato globale, secondo gli analisti (la tabella mostra la proiezione delle entrate per il mercato globale dei convertitori), le soluzioni per la gestione dell’alimentazione per tensioni in ingresso di 5V sono quello in più rapida crescita. Basato sul requisito per le applicazioni IoT che stanno guidando questa crescita, i progettisti cercano convertitori boost a bassa tensione che possano offrire una maggiore durata della batteria, e dimensioni della soluzione inferiori rispetto alla concorrenza.

Scegliere i giusti convertitori boost che prolungheranno con successo la durata della batteria richiede un attento esame di alcuni criteri chiave, tra cui:
1. Corrente di riposo: più basso è il valore di questa corrente, migliore sarà la durata della batteria del sistema in modalità standby.
2. True Shutdown: disconnettendo la corrente in uscita dall’ingresso durante lo shutdown, si migliora l’efficienza estendendo così la vita del prodotto finale. Se tale funzionalità è integrata nel convertitore, viene eliminataanche la presenza di costosi componenti esterni.
3. Range di tensione in ingresso: consente il funzionamento anche in condizioni di una batteria quasi “scarica”
4. Efficienza: misurata in termini VIN, VOUT, e IOUT, maggiore sarà la percentuale, migliore sarà la durata della batteria (l’ideale è avere un’efficienza > 90% a livello di µA).

Un elemento importante è quello di esaminare il registro delle vendite dei fornitori nell’ambito delle tecnologie di gestione dell’alimentazione. Fornitori affidabili hanno lunghe storie di consegna con tecnologie avanzate per tutte le dimensioni e in una varietà di settori, che migliorano continuamente la loro esperienza e i loro prodotti nel corso del tempo. Alcuni forniscono anche strumenti di simulazione online per la valutazione delle curve di efficienza e costi della distinta base (BOM) sulle loro specifiche di progettazione. L’utilizzo di kit e schede di valutazione rappresenta un modo rapido per sviluppare prototipi di progetti di varie dimensioni. Inoltre, la disponibilità di package ultra-piccoli è essenziale per design sensibile ai costi e alle dimensioni.

 

CONVERTITORI BOOST TRUE SHUTDOWN CON CORRENTE DI QUIESCENZA ULTRA-BASSA

 

Maxim ora offre convertitori boost (step-up) DC-DC con corrente di riposo ultra-bassa (300nA) e tecnologia True Shutdown, ideale per applicazioni a batteria che richiedono una lunga durata operativa. Il regolatore nanoPower MAX17222 offre una corrente di picco dell’induttore di 0,5 A. Con la tecnologia True Shutdown, l’uscita è disconnessa dall’ingresso senza corrente diretta o inversa.

 

CORRENTE DI QUIESCENZA DI 300 NANOAMPERE CON TECNOLOGIA TRUE SHUTDOWN

La tensione di uscita può essere selezionata usando una singola resistenza standard all’1%. Il MAX17222 dispone della protezione dai transitori sul pin di enable dopo lo startup ETP (Enable Transient Protection), che consente all’uscita di rimanere regolata per tensioni di ingresso fino a 400 mV, a seconda della corrente di carico. Il convertitore boost è disponibile in un package WLP2 6-bump di dimensioni 0,88 x 1,4 mm, WLP e µDFN a 6 pin con efficienza massima del 95% per ridurre al minimo il calore dissipato.
Per completare i vantaggi in termini di potenza dei regolatori boost altamente efficienti, è necessario impiegare nel design microcontrollori a bassa potenza. Tuttavia, non tutti i microcontrollori a bassa potenza sono realizzati nello stesso modo. Dato che le applicazioni discusse qui richiedono un piccolo footprint e sono alimentate a batteria, i microcontrollori utilizzati dovrebbero supportare questi prodotti con un fattore di forma ridotto. I microcontrollori DARWIN di Maxim funzionano bene con i circuiti integrati nanoPower, insieme consentono di ottenere prodotti con una più lunga durata della batteria e piccolissime dimensioni. I microcontrollori DARWIN offrono una tecnologia power wearable-grade con modalità attiva a basso consumo con ritenzione della SRAM; una memoria embedded di grandi dimensioni per gestire più stack e applicazioni di elevate dimensioni; un’architettura di memoria scalabile per eseguire il codice da una memoria flash esterna o per accedere rapidamente alla SRAM esterna per scalare l’applicazione o definire nuovi elementi richiesti dal mercato; e una sicurezza integrata per proteggere i progetti dalle minacce informatiche. L’utilizzo dei microcontrollori DARWIN insieme ai circuiti integrati nanoPower riduce la pressione energetica sulle piccole batterie che alimentano il dispositivo finale.

 

Quando cerchi nuovi modi per prolungare la durata della batteria nel tuo prossimo progetto, non sottovalutare l’impatto della corrente di riposo o corrente di quiescenza. Per prima cosa, è importante comprendere il profilo di potenza del prodotto finale: questo ti darà degli obiettivi su cui puntare. Quando è il momento di considerare i componenti che vanno impiegati, concentrati su circuiti di alimentazione e di elaborazione che offrono una corrente di riposo estremamente bassa dell’ordine del nanoampere. La combinazione di una bassa corrente di riposo, insieme a specifiche come True Shutdown, il range di tensione d’ingresso che si estende fino a bassi valori e l’elevata efficienza a livello di µA ti aiuteranno a fornire soluzioni intelligenti e connesse che soddisfano le richieste dei clienti per tempi di attività elevati per ogni carica.

 

 

 

 

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