Cinque best practice per aumentare la durata della batteria nei misuratori di portata

di Eric Djakam, Senior Field Applications Engineer, Texas Instruments

 

I misuratori di portata utilizzano batterie al litio biossido di manganese (LiMnO2) ed al litio cloruro di tionile (LiSOCl2) come fonti di energia. Le batterie LiSOCl2 sono diffuse nei misuratori di portata perché offrono una migliore densità di energia e un rapporto costo per watt più efficiente rispetto alle batterie LiMnO2. Tuttavia, le batterie LiSOCI2 presentano una scarsa risposta agli impulsi, che può causare una forte caduta di tensione durante il caricamento di correnti transitorie.

È possibile combinare elementi tampone, come condensatori a strato ibrido (HLC) o condensatori elettrici a doppio strato con batterie LiSOCl2 per migliorarne la capacità di carico a impulsi, ma una combinazione affidabile di HLC e batterie LiSOCl2 è costosa e può incidere sul costo totale del misuratore. Poiché la batteria incide anche i requisiti di manutenzione e sulla durata di un misuratore, un metodo alternativo che combini convertitori buck-boost e batterie LiSOCl2 può aiutare a ridurre i costi totali della soluzione e aumentare la durata dei misuratori.

In questo articolo verranno esaminate cinque best practice per lavorare con convertitori buck-boost e batterie LiSOCI2 in modo da ottimizzare la durata della batteria di ridurre i requisiti in termini di manutenzione complessiva e costo. Per prima cosa, analizziamo alcune tipiche sfide di progettazione.

 

Sfide di progettazione fondamentali per sistemi di misuratori intelligenti

Un tipico sistema per misuratore di portata è composto da cinque componenti chiave, che comprendono un front end metrologico, un front end di comunicazione, un microcontroller (MCU), un circuito integrato di gestione della potenza e con front end di protezione.

Oltre a questi requisiti, i misuratori di portata si presentano di solito in piccoli fattori di forma e devono funzionare per oltre 15 anni sul campo con una manutenzione minima.

 

Profilo di consumo energetico per tipici misuratori di portata

La Tabella 1 riporta il profilo di consumo energetico di un misuratore standard, suddivisa in tre modalità operative.

Tabella 1: Profilo di consumo energetico di un misuratore di portata standard

Best practice per la progettazione di misuratori con un convertitore buck-boost

Per agevolare una maggiore durata della batteria e le prestazioni del progetto di misuratore intelligente, è possibile prendere in considerazione queste cinque best practice.

Best practice n. 1: limitare la corrente di picco assorbita dalla batteria.

Come si nota in Figura 1 (presa dalla scheda tecnica di una batteria SAFT LS17330), le batterie LiSOCl2 di solito non supportano i profili ad intervallo altamente dinamico richiesti da sistemi di comunicazione radio utilizzati nei misuratori intelligenti. Uno degli approcci possibili per risolvere questa problematica consiste nell’uso del convertitore buck-boost TPS63900 e di elemento tampone per filtrare la corrente della batteria.

Figura 1: Profili tipici di scarica SAFT LS17330 a +20°C

Best practice n. 2: rendere indipendenti i livelli di tensione di uscita e di ingresso.

L’implementazione di livelli di tensione indipendenti ottimizza il profilo di corrente di ingresso assorbita dalla batteria e la corrente di uscita fornita al carico. Questa pratica, inoltre, semplifica l’utilizzo dell’elemento tampone tra l’ingresso e l’uscita.

Best practice n. 3: utilizzare convertitori a bassa corrente di esercizio e con corrente di standby inferiore a 500 nA.

Al fine di ottimizzare l’utilizzo di energia del sistema, il consumo medio di corrente del convertitore deve essere trascurabile rispetto al consumo di corrente del sistema. Ad esempio, se il consumo medio di corrente di un misuratore di portata è di circa 5 µA, il convertitore deve avere una corrente di standby inferiore a 500 nA.

Best practice n. 4: tenere più bassa possibile la tensione del sistema di alimentazione.

Occorre pensare al sistema come ad una resistenza alimentata dal convertitore. Tenendo bassa la tensione di alimentazione è possibile ridurre la corrente di standby consumata dal sistema.

Best practice n. 5: ottimizzare il carico di tensione per ciascuna modalità operativa mediante scaling dinamico della tensione.

Come mostrato in Figura 2, lo scaling dinamico del TPS63900 permette al convertitore di cambiare la propria tensione di uscita al volo e, quindi, di alimentare il carico in corrispondenza del suo punto di funzionamento migliore.

Figura 2: front end batteria basata su TPS63900

Alcune misurazioni

Prendiamo la misurazione di un transiente di carico con queste condizioni:

Corrente di standby (Iout): 158 µA per 999 ms

Corrente attiva (Iout): 97,4 mA per 1 ms

Tensione di ingresso (Vin): 3,6 V,

Tensione di uscita: 3,0 V

Condensatore di uscita: 300 µF.

Come mostrato in Figura 3 e in Figura 4, il TPS63900 è in grado di filtrare la corrente di ingresso assorbita dalla batteria mantenendo al tempo stesso un’efficienza e una regolazione eccellenti sulla tensione di uscita.

Figura 3: La risposta di impulso del TPS63900

Figura 4: efficienza di TPS63900 con una tensione di ingresso di 3,6 V

 

Mediante la combinazione di un consumo di corrente estremamente basso in standby, un’eccellente risposta ai transienti, il livello di rumore in uscita e lo scaling dinamico della tensione in un package da 2,5 mm x 2,5 mm o da 21 mm2 di dimensioni totali della soluzione, il TPS63900 è in grado di risolvere le sfide che si presentano lavorando con batterie LiSOCl2 e che sono state risolte a lungo mediante approcci convenzionali, più complessi e costosi.

Figura 5: area della soluzione TPS63900

 

Ulteriori informazioni sulla progettazione con il convertitore buck-boost TPS63900 sono disponibili nelle risorse supplementari o commentando questo articolo.

Risorse supplementari

• Guardate il video di formazione «Scaling dinamico della tensione e limite di corrente di ingresso del TPS63900».
• Leggete la nota applicativa «Come aumentare l’autonomia di un sistema alimentato a LiSOCl2».
• Consultate il «Progetto di riferimento per opzioni a bassa potenza per moduli wireless di misuratori intelligenti con utilizzo di celle primarie».
• Leggete l’articolo su EE Design News «Potenza più intelligente per il front end dell’Internet of Things».
• Consultate la Scheda tecnica di SAFT LS17330.