Comprensión de la disipación de energía por parte del regulador LDO en relación con la vida útil de la batería

Si tenemos 8.000 mAh de capacidad de batería, ¿nuestro regulador reduciría efectivamente la capacidad utilizable a 4.400 mAh?

No, no es una relación lineal.

La capacidad se clasifica desde el voltaje total (1,5 V) hasta el corte de 0,8 V.
Con el tiempo, la batería se descarga y la capacidad disminuye. El voltaje de la batería también disminuye.

El voltaje de corte es 3,3 V + 0,15 voltaje de caída o 3,45 V.
Con cuatro baterías, el voltaje de corte de una sola batería es 3,45 V ÷ 4 = 0,8625 V

El área amarilla debajo de la curva es capacidad no utilizada.

¿Significaría eso que si usamos 3 baterías AA en su lugar y obtenemos una eficiencia del 73% al convertir 4.5V a 3.3V, aún tendríamos 4,400 mAh de duración útil de la batería?

Con 3 AA, el voltaje de corte de una sola batería es de 3,45 V ÷ 3 = 1,15 V.
Todo lo que supere los 1,15 V no se utiliza.

El área amarilla debajo de la curva es capacidad no utilizada.

Desperdiciaría significativamente menos energía de la batería si usara 3 baterías en lugar de 4.

La única ganancia que obtiene al usar 4 baterías es reducir el corte de 1,15 a 0,8625 V, lo que le brinda una vida útil de la batería un poco más larga. Pero al mismo tiempo, la energía entre 1,15 y 0,8625 V es un desperdicio.

Entre las líneas rojas se encuentra el tiempo de ejecución adicional ganado con la cuarta batería.
El amarillo debajo de la curva aquí es la capacidad obtenida al usar 4 en lugar de 3 baterías.

Un conmutador de refuerzo de batería para 3,3 V es muy simple. Un ejemplo es el convertidor elevador de alta eficiencia de celda única LV61225 de
Texas Instruments

Si la corriente es muy baja, mire el CONVERTIDOR DE ELEVACIÓN SÍNCRONO DE BAJA POTENCIA

El voltaje de la batería disminuye desde el momento en que las baterías están llenas hasta que se descargan. Al calcular la eficiencia de un regulador lineal (LDO es un tipo de regulador lineal), esto debe tenerse en cuenta de alguna manera. La forma más sencilla es utilizar la tensión MEDIA de las baterías en toda la curva de descarga. El voltaje medio de una pila alcalina AA ronda los 1,3V, aunque esto depende de la carga. Entonces, con 4 baterías en serie, el voltaje promedio será de alrededor de 1,3 V * 4 = 5,2 V. Entonces, la eficiencia promedio del LDO será 3.3/5.2, que es alrededor del 63%.

Si usa un convertidor de dinero, probablemente pueda contar con obtener el 85% con relativa facilidad. También son posibles eficiencias más altas, pero tendrá que hacer todo con mucho cuidado. Por lo tanto, obtendrá aproximadamente un 30% más de duración de la batería con un convertidor reductor.

Hay algo más que considerar. La disipación de potencia en el LDO será igual a Icarga * (Vin - Vout). Ahora, aquí, tienes que usar el voltaje máximo, no el promedio. Así que usemos 1.5V. Eso es Iloud * (6 - 3.3) = Iload * 2.7.

Para 100mA eso es solo 270mW. Bastante manejable. Pero si su carga es de 500 mA, entonces será de 1,35 W, lo que será difícil de manejar. Por lo tanto, las corrientes más altas deberían alejarlo de un LDO y hacia un convertidor reductor.

Ahora consideremos la corriente de reposo. Si el regulador va a funcionar durante períodos prolongados con poca carga o sin carga, se debe considerar la corriente de reposo. Los LDO tendrán una corriente de reposo mucho más baja que los convertidores reductores, aunque algunos convertidores reductores son lo suficientemente bajos como para funcionar durante muchos meses (sin carga) con baterías AA. Preste atención a la especificación actual de reposo si se aplica a usted. Además, la eficiencia del regulador reductor con cargas muy ligeras no será mucho mejor que la de un LDO.

Ahora consideremos el costo. Si solo está construyendo uno, la diferencia de precio realmente no importa. Pero si está produciendo esto en masa, tenga en cuenta que los LDO son MUCHO más baratos que los convertidores de dinero (en volumen). Aunque esto puede no ser cierto si tiene 200 mA o más de corriente de salida, porque entonces necesitará un LDO grande o un LDO más disipador de calor.

Así que esas son todas las compensaciones. Supongo que estará mejor con un convertidor reductor en su aplicación a menos que la corriente de salida sea inferior a 50 mA, en cuyo caso usaría un LDO.

Si tenemos 8.000 mAh de capacidad de batería, ¿nuestro regulador reduciría efectivamente la capacidad utilizable a 4.400 mAh?

No. La carga de la batería, ignorando la corriente LDO desviada a tierra, aparece en la carga.

Sin embargo, si mide su batería primaria en Wh, entonces sí, aparecerán muchos menos Wh en la carga, ya que ha 'desperdiciado' el exceso de voltaje de la batería. Con esa diferencia de voltaje, podría valer la pena considerar un SMPS.

Es decir, si tengo un circuito de 3.3V y estoy usando un regulador lineal LDO, ¿obtendré más o menos la misma duración de batería con 3 baterías AA que con 4 baterías AA debido a la eficiencia y la disipación de calor?

Obtendrá más duración de la batería con 4 AA, ya que podrá bajar a un voltaje más bajo por celda antes de alcanzar el voltaje mínimo en el LDO. Suponiendo que su LDO funcionará con una caída de 300 mV, entonces con 3 AA solo puede bajar a 1.2v por celda, con 4 puede bajar a 0.9v, una mejora significativa en la capacidad utilizable.

Debe usar una estrategia diferente para diferentes químicas celulares si desea la mejor eficiencia. Para los tipos de celdas donde la energía de salida se entrega con una gran oscilación de voltaje como el litio alcalino y recargable, un LDO desperdiciará mucho voltaje al comienzo de la vida, por lo general estará mejor con un SMPS. Para tipos de celdas con una curva de voltaje relativamente plana, como níquel, plomo, litio primario y óxido de plata, una elección cuidadosa de los voltajes será razonablemente eficiente incluso con un LDO.