Perché la tensione non viene visualizzata nel calcolo della durata della batteria?

Ho un PCB con alcuni moduli radio su di esso. Attualmente nei suoi vari stati utilizza ovunque tra 100 µA e 100 mA. Posso calcolare quanto tempo trascorre in ciascuno dei suoi stati in un determinato anno.

I moduli radio sul mio PCB hanno tutti un ampio intervallo di tensione di ingresso accettabile. Il mio processore principale e il modulo Bluetooth Low Energy, ad esempio, accetta qualsiasi cosa da 1,8 V a 3,6 V. In questo momento lo sto eseguendo a 3.0 V, usando un convertitore DC-DC step down.

La batteria è un ione di litio 18650 ( scheda tecnica ).

Quando è completamente carico, fornisce circa 4,3 V. Lo abbasserò a 3.0V. La batteria ha una capacità di 3400 mAh.

Supponendo che la corrente media da cui sto attingendo sia di 400 µA. Il mio calcolo per la durata della batteria è semplicemente:

tempo (h) = capacità (Ah) / corrente (A)

3,4 Ah / 400 µA = circa un anno

Ora, so che per ridurre il mio consumo di energia, dovrei far funzionare il mio circuito alla tensione più bassa possibile, quindi sto considerando di cambiare il mio convertitore DC-DC e di far funzionare il mio processore principale e il modulo BLE a 1,8 V anziché a 3,0 V .

La mia domanda è: perché la tensione non è presente in nessun punto del mio calcolo della durata della batteria?

Non appare nella tua equazione perché questa equazione presuppone che tu stia usando la batteria alla sua tensione di uscita durante l'intero utilizzo senza conversione.

Questo non è il caso qui, perché stai usando un convertitore step-down. Quindi, per costruire l'equazione corretta tu:

• ottieni Vavgbat : la tensione media della batteria durante l'intero ciclo di scarica: il grafico di scarica della scheda tecnica della batteria mostra che è intorno a 3,6 V per le correnti basse, come quella che usi.
• ottieni Iavgbat : la corrente che assorbirai dalla batteria, in media, durante l'intero ciclo. E ' non è la corrente si utilizza in uscita del convertitore DC-DC (che è dove vi siete persi qualcosa, credo). Se diciamo che la corrente di uscita del convertitore è Iout , allora Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / efficienza (l' efficienza è l'efficienza del convertitore CC-CC, di solito circa l'80-90%, controlla la scheda tecnica).
• quindi applichi il forumla che hai citato: time = capacity / Iavgbat .

Quindi hai:

Ora vedi la tensione di uscita nella formula.

Quindi, se la capacità = 3,4 Ah, Iout = 400µA e l' efficienza = 85%, abbiamo:

• tempo = 8670 ore (circa un anno) per un'uscita 3V
• tempo = 14450 ore (più di un anno e mezzo) per un'uscita di 1,8 V.

Ancora una cosa : dati i grandi tempi che ne conseguono, penso che si debba tenere conto dell'autoscarica delle batterie (o della corrente di dispersione), che può essere significativa. Sfortunatamente, non l'ho visto menzionato nella scheda tecnica delle batterie.

Ulteriori dettagli : da dove proviene la formula Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / efficienza ?

Viene dal fatto che un convertitore DC-DC, a differenza di un regolatore lineare, è in grado di emettere (quasi) tutta la potenza che consuma dal suo ingresso. Quindi Pin = Pout / efficienza . Se diciamo Pin = Vavgbat * Iavgbat e Pout = Vout * Iout , possiamo ottenere la formula sopra.

Al contrario, con un regolatore lineare, la tensione viene ridotta senza alcuna conseguenza sulla corrente di ingresso / uscita. Quindi Iavgbat sarebbe uguale a Iout (non tenendo conto della corrente di riposo), che era il tuo presupposto iniziale (impreciso).

La mia domanda è: perché la tensione non è presente in nessun punto del calcolo della durata della batteria?

Perché nel tuo calcolo manca un aspetto.

È possibile utilizzare due tipi di regolatori di tensione:

• lineare o
• modalità switch step-down.

Ora, con lineare, l'energia per carica (= definizione fisica di tensione) che è "troppo" viene semplicemente convertita in calore (e, successivamente, persa).

Quindi, la corrente che entra nel regolatore lineare è praticamente la stessa della corrente utilizzata sull'uscita regolata. La potenza che entra nel regolatore è superiore a quella che ne esce - perché la corrente è la stessa, ma la tensione è inferiore.

Con i convertitori in modalità switch, l'energia dal lato "input" viene memorizzata, in genere in un campo magnetico all'interno di una bobina (ma per le tue basse potenze, anche i circuiti integrati del regolatore di tensione a bassa capacità commutati economici e piccoli potrebbero avere senso, dove l'energia è memorizzato solo in un campo elettrico).

Quindi, solo la tensione viene "generata" dall'energia immagazzinata come richiesto.

Ciò significa che la potenza che passa nel regolatore è uguale alla potenza che esce (a parte l'efficienza non al 100%), il che implica che se, ad esempio, metà della tensione nel regolatore, il regolatore consuma solo metà della corrente fornisce!

Ora, la domanda è: se tutti i moduli supportano un ampio intervallo di tensioni di ingresso, significa che hanno tutti regolatori di alimentazione integrati. Ora, se questi sono lineari, probabilmente hai ragione a usare un convertitore step-down in modalità switch per aumentare l'efficienza. Se questi moduli contengono alimentatori a commutazione, non dovresti usare il tuo regolatore - è molto probabile che la cascata di regolatori sarà meno efficiente di quella integrata da sola.

Indipendentemente dall'efficienza del convertitore (o assumendo il 100%), la tensione della batteria viene utilizzata per calcolare la capacità (mah) della batteria. Più correttamente, la caduta di tensione utilizzabile , 1,4 v ( 4,2 v - 2,8 v).

Nel tuo particolare utilizzo, la tua caduta di tensione è di soli 1,2 V (4,2 - 3,0) e l'efficienza effettiva potrebbe essere del 90%, entrambi tendono a ridurre il tempo. Tuttavia, la tua corrente media è di soli 400uA, che tende ad aumentare la durata del tempo, quindi la tua risposta di circa un anno sembra corretta.