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Autore: Zhong Nini, Application Engeneer
Eileen Zhang è co-autrice di questo articolo.
La corrente di riposo di un dispositivo, detta anche IQ, è un importante parametro per apparecchiature finali a bassa potenza ed efficienti dal punto di vista energetico, come i dispositivi per il monitoraggio continuo della glicemia (CGM, Continuous Glucose Monitoring). La corrente assorbita dal circuito integrato a basso carico o in assenza di carico incide sensibilmente sulle perdite di potenza in modalità standby e sul tempo di funzionamento totale del sistema.
Il carico alimentato dalla batteria non è in effetti sempre attivo, ma si tratta di un carico a modulazione di larghezza di impulso (PWM), ossia il carico è costituito da due periodi: tPWM e tStandby, come mostrato in Figura 1. Mentre tStandby occupa il 99,9% del ciclo di carico totale, indicato con T nella Figura 1, è comunque importante migliorare l’efficienza, in particolare l’efficienza a basso carico.
Figura 1: Condizione di carico di un sistema a batteria
La sfida consiste nel ridurre le perdite di potenza in modalità standby, limitare i picchi di corrente e ridurre il duty cycle durante il periodo dell’impulso di attivazione, migliorando in tal modo l’efficienza e aumentando la durata della batteria. Un convertitore boost con bassa IQ è in grado di abbattere le perdite di potenza totali per una batteria.
Scegliere un convertitore boost con bassa IQ per migliorare l’efficienza complessiva
Un CGM dimostra il motivo per cui è importante ridurre al minimo la IQ per aumentare la durata delle batterie. La Figura 2 mostra un blocco di alimentazione per CGM: un sensore per leggere la concentrazione di glucosio, un trasmettitore per acquisire il valore di glucosio e un ricevitore wireless per la comunicazione e la visualizzazione. Il trasmettitore, composto da una batteria a bottone, un convertitore boost e un front end analogico (Figura 3) consuma la maggior parte dell’energia.
Figura 2: Architettura di potenza di un CGM
Figura 3: Architettura di potenza di un trasmettitore CGM
La Figura 4 mostra la corrente di carico del front end analogico. Come si nota, il trasmettitore è in modalità standby per il 99% del tempo.
Figura 4: Consumo di corrente rispetto al tempo in un trasmettitore CGM
L’Equazione 1 calcola la potenza totale fornita dalla batteria durante un singolo ciclo di carico come:
Riducendo la IQ si potrebbe migliorare direttamente l’efficienza in modalità standby.
Il convertitore boost TPS61299 di TI consuma solo 95 nA di IQ da VOUT, permettendo di aumentare l’efficienza del 39% nelle tipiche condizioni di standby di un CGM: VIN = 3,0 V, VOUT = 3,3 V e IOUT di standby = 10 µA (Figura 5). Un carico di impulso di attivazione di 30 mA della durata di 600 ms ogni ciclo di carico di 288 secondi si traduce in un risparmio di 2,53 W di potenza al giorno. In definitiva, questo aumento di efficienza in modalità di standby può allungare la durata della batteria del 20%.
Figura 5: Curva di efficienza del TPS61299 e di un dispositivo IQ a 600 nA
Limitare la corrente di scarica proveniente dalla batteria
Sebbene le batterie a bottone ad alta densità di energia e scarica ridotta siano estremamente popolari, i loro svantaggi principali sono un’elevata resistenza in serie equivalente (ESR) e una limitata capacità di corrente. Per un’applicazione con carico PWM, il duty cycle è piccolo e gli impulsi di corrente elevata vanno ad aggiungersi agli elevati picchi di corrente di inserzione, che sono molto più alti della corrente di scarica e hanno effetti deleteri sulla capacità e sulla durata della batteria, in particolare in caso di utilizzo di un supercondensatore. Inoltre, con l’invecchiamento della batteria, la ESR cresce e la perdita di potenza causata dai picchi di corrente aumenta di conseguenza.
La capacità della batteria è in rapporto inverso rispetto alla corrente di scarica, mentre la durata della batteria è in rapporto lineare con la capacità, come mostrato in Figura 6. Al calare della corrente di scarica da 500 mA 100 mA, la durata della batteria raddoppia.
La gamma di convertitori boost TPS61299, disponibile con limiti della corrente di ingresso da 5 mA a 1,5 A, limita in modo accurato la corrente di scarica durante il periodo dell’impulso di attivazione, contribuendo a prolungare la durata della batteria.
Figura 6: Rapporto fra la durata della batteria e la corrente di scarica
Scegliere un dispositivo con rapidi tempi di risposta ai transienti
La riduzione dell’ampiezza dell’impulso di attivazione del carico per ridurre la perdita di potenza totale aumenta anche la durata complessiva della batteria.
La Figura 7 mostra la condizione di carico ciclo per ciclo di un LED per smartwatch. Il carico PWM copre due fasi: tempo del transiente (ttran) e tempo di campionamento (tcamp). ttran misura la velocità con cui il convertitore boost effettua la regolazione tornando alla tensione di uscita obiettivo dopo una variazione brusca della corrente di carico o della tensione di alimentazione. tcamp è un valore costante una volta che il fotodiodo si stabilizza.
Abbreviando il ttran è possibile restringere notevolmente il tempo PWM (tPWM), ampliando di conseguenza il tempo di spegnimento (tSPEGN) e consentendo uno stato di lavoro a bassa IQ più lungo. Ipotizzando che sia possibile ridurre ttran da 100 µs a 10 µs, con un tcamp di 10µs, il tempo di ciclo è 250 µs, rendendo quindi possibile l’estensione di tSPEGN da 140 µs a 230 µs, come mostrato in Figura 8.
Figura 7: Carico PWM tradizionale
Figura 8: Carico PWM con prestazioni per transienti veloci
È sempre impegnativo mantenere una bassa IQ per ottenere un’alta efficienza durante il tSPEGN e ridurre il ttran. I dispositivi a bassa IQ soffrono sempre di tempi di risposta più lunghi in quanto è difficile ricaricare i condensatori parassiti interni con una IQ molto bassa.
Ciononostante, il TPS61299 è in grado di raggiungere tempi di risposta ai transienti veloci con una larghezza di banda più ampia. Ad esempio, come mostrato in Figura 9, il tempo di assestamento tipico con un aumento della corrente di uscita da 0 mA a 200 mA nelle condizioni con ingresso di 3,6 V e uscita di 5 V è pari a 8 µs.
Figura 9: Forma d’onda del transiente del TPS61299
Conclusione
Il convertitore boost TPS61299 integra al tempo stesso tre delle possibilità più efficaci per la riduzione delle perdite di potenza totali delle batterie a disposizione dei progettisti:
- Scegliere un convertitore boost con bassa IQ per migliorare l’efficienza complessiva.
- Limitare la corrente di scarica proveniente dalla batteria.
- Scegliere un dispositivo con rapidi tempi di risposta ai transienti.
In particolare, una maggiore efficienza e minori perdite di potenza per i convertitori bus continueranno a essere di tendenza nelle applicazioni per batterie, mentre una RDS(su) più bassa e un loop di controllo ottimizzato potrebbero contribuire ulteriormente ad aumentare la durata delle batterie.
Risorse supplementari
- Scaricate la Nota applicativa «Vantaggi del TPS61299 con prestazioni per transienti veloci in applicazioni per smartwatch».
