Regulador de refuerzo de conmutación de CC con carga ligera: ahorro de energía

Soy nuevo en el regulador de impulso de conmutación DC-DC. En mi aplicación, necesito una salida regulada de 3,3 V de 2 baterías alcalinas individuales (1,5 V). Tengo una carga liviana que toma solo alrededor de 0.5 mA la mayor parte del tiempo y, según la actividad del usuario, se cambia la alimentación de un módulo (con un interruptor de carga), lo que toma alrededor de 75 mA durante aproximadamente 250 mS.

En mi configuración experimental, utilicé TPS61201 / TPS63001 de Texas Instruments, que tiene un pin de ahorro de energía para reducir el consumo de energía con carga ligera.

Mi objetivo aquí es aumentar la duración de la batería tanto como sea posible y poder usar el regulador hasta aproximadamente 1,6 V de 3 V de las baterías alcalinas.

Lo que estoy tratando de entender es lo siguiente:

  1. ¿Puedo mantener el modo de ahorro de energía habilitado todo el tiempo en mi aplicación con dichos reguladores de CC para minimizar la corriente del inductor y aumentar la vida útil de la batería?
  2. ¿Qué diferencia tendría en el rendimiento con el modo de ahorro de energía habilitado o deshabilitado todo el tiempo?
  3. Con el modo de ahorro de energía activado, ¿arrancaría el regulador con un voltaje tan bajo como 1,6 V o menos?

En este momento, estoy evaluando diferentes reguladores de refuerzo de CC y sus curvas características para obtener la mejor eficiencia en mi aplicación, pero su aporte me ayudaría a aclarar mi comprensión sobre el modo de ahorro de energía de dichos reguladores de CC y cómo aumentar la vida útil de la batería para cargas livianas para la mayoría de la duración del uso.

Si su objetivo es "aumentar la duración de la batería tanto como sea posible", entonces hay mucho más en su pregunta de lo que ha escrito. Supongo que estás usando un micro. ¿Cuál? (Esto [y los transductores de entrada y salida] es probablemente el factor individual más grande a considerar). Además, ¿cómo se activa el dispositivo (¿se enciende?) La metodología aquí importa mucho con respecto a la potencia de reposo cuando está inactivo. Además, todos los dispositivos de refuerzo tienen una carga mínima para su funcionamiento. Las respuestas a las preguntas anteriores también tendrán un impacto en la elección de la topología de refuerzo.
micro PIC. El convertidor elevador de CC permanece desconectado de la batería cuando no se usa con un transistor de paso. PIC transfiere algunos datos con otros módulos y luego se va a dormir. Los otros módulos también se van a dormir. Cuando estoy en reposo, veo que se extraen aproximadamente 0,5 mA de la fuente de alimentación de entrada (o baterías). Cuando todo se despierta durante unos 250 mS durante la transferencia de datos, se consumen ~75 mA. ¿Necesito tener una carga ficticia en este caso para los requisitos mínimos de carga? Eso sería el desperdicio de energía de la batería con una carga ficticia.
este 0,5 mA con el modo de ahorro de energía activado. Si desactivo el modo de ahorro de energía del regulador de CC, el consumo de corriente aumenta significativamente... eso me dice que el regulador de CC de mi elección en este momento no es muy eficiente con cargas livianas y el regulador de CC en sí está tomando mucha corriente con el ahorro de energía. modo desactivado..
De ninguna manera estoy sugiriendo que cambie toda su cadena de herramientas, pero los PIC (y me encanta Microchip como socio comercial, como cualquiera le dirá), incluso la variedad de nanovatios, no se acercan ni siquiera a un MSP430 para batería de larga duración. Una vez que observa el tiempo que lleva "ponerse al día" en un PIC, el MSP430 ya estuvo allí y lo hizo y ya se volvió a dormir. Sin embargo, tiene 75mA*250mS*Vcc o alrededor de 50 mJ por evento. ¿Cuánto tiempo duermes entre eventos?
Para responder a su pregunta directa, sí, según la literatura, esos reguladores en particular funcionarán de manera más eficiente si los ejecuta en modo PS. La eficiencia ganada depende de qué tan pequeña sea la corriente de carga. Todo está en esos cientos de gráficos que te dan. Sin embargo, como destaca @jonk, no tiene sentido exprimir el último percentil de eficiencia del regulador si la pérdida de carga principal está en otra parte. Necesitas optimizar ambos.
sería una variable pero estaría alrededor de 10 segundos de suspensión entre eventos para una duración de encendido de aproximadamente 45 segundos; luego 30 segundos de desconexión de la batería del regulador de CC; luego el evento seguido de 10 segundos de suspensión.
@Trevor, parece que el regulador de CC en sí toma mucho jugo; lo digo porque si lo uso en el modo habilitado para PS, el sistema consume solo alrededor de 0.5 mA cuando el micro y todos los demás están en suspensión. Pero en el modo PS deshabilitado, el consumo de corriente aumenta mucho... Mi principal preocupación es ¿puedo mantener el modo PS habilitado todo el tiempo? ¿Funcionaría hasta aproximadamente 1,4 V en el modo PS habilitado?
Mmm. ¿Entonces entendí mal los 250 ms mencionados en su pregunta? En cambio, ¿realmente está haciendo una duración activa de 45 s a 75 mA? ¿Con solo 10 s de tiempo de suspensión y, y estoy confundido acerca de esto, 30 s de desconexión de la batería? ¿Podría explicar y describir el motivo de estas tres fases? (Puedo suponer que la fase activa hace algo importante , pero ¿por qué hay otras dos fases en lugar de solo una? ¿Por qué no solo dormir? ¿O por qué no tener la batería desconectada todo el tiempo?)
el evento solo sería de unos 250 mS @ ~75mA. El sistema permanecerá encendido durante aproximadamente 45 segundos con un ciclo de trabajo ~ de 10 segundos de suspensión a 0,5 mA si el modo PS está habilitado: 250 mS de evento a 75 mA. Luego, durante unos 30 segundos, la batería se desconectará por completo antes de que se repita el ciclo.
el hardware que he diseñado mantiene la batería conectada siempre que el usuario esté usando el sistema - ~45 segundos (que se puede cambiar pero en esta etapa de mi proyecto, preferiría no hacerlo). Para mantener bajo el consumo de energía, duermo entre eventos. Luego, durante unos 30 segundos, el usuario dejaría de usar el sistema, ahí es cuando la batería se desconecta por completo.
Ahora finalmente estamos comenzando a obtener una imagen más completa. Me gustaría sugerir que la próxima vez que publique una pregunta aquí, piense en revelar todo esto de inmediato. Arrastrar las cosas, por partes como esta, consume mucho tiempo para usted y también es una pérdida de tiempo y energía para todos los demás. Sin embargo, al menos ahora tengo una idea de la situación.
Sí, si miras los gráficos de eficiencia, cae mucho con pequeños mA.
@jonk, gracias... Trataré de incluir más detalles para empezar... @Trevor, Sí, con este, la eficiencia cae significativamente con poca corriente, pero es mejor con el modo PS habilitado. Pero como pregunté anteriormente, ¿puedo mantenerlo habilitado todo el tiempo y el regulador comenzaría a un voltaje más bajo con PS habilitado? También estoy tratando de encontrar algunas alternativas mejores, pero en caso de que tenga que usar esta o una similar, por favor aconséjenme sobre este modo PS para mi aplicación. Avíseme si necesito aclarar esto más. Gracias a todos.
@ user101095 ¿Por qué consume energía entre períodos activos? En otras palabras, ¿hay algo importante mientras duerme que requiera que tenga la batería conectada en estos momentos? ¿O sería igual de bueno si pudiera sugerir un método en el que la única vez que se consume energía es durante los tiempos activos y que el sistema puede aplicar algún tipo de magia misteriosa para que cuando se necesiten esos servicios sea " mágicamente allí" y corriendo durante ese corto 1/4 de segundo?
@jonk, veo lo que estás sugiriendo... es solo que en esta etapa, tengo el hardware y el software diseñados y probados de acuerdo con este enfoque y debido a la presión del tiempo en esta etapa del diseño, tendría que seleccionar el correcto Regulador de refuerzo de CC y pasar a la fase de diseño...
¿Por qué no usar dos convertidores elevadores en lugar de uno? Use uno para alimentar el mcu y otro para alimentar la carga intermitente. Optimice cada uno de los convertidores elevadores para la carga adecuada

Respuestas (1)

Supongo que solo resumiré el comentario. No espero que esto sea una respuesta, solo lo que veo en la discusión.

Me estoy imaginando algo como la siguiente imagen.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Hay algunos picos en la corriente requerida, que duran 250 EM . Los picos de corriente requeridos alrededor 75 mamá y luego vuelve a caer a algún otro nivel actual (dormido) durante aproximadamente 10 s , aunque este período es variable. Cada 45 s , se quita la batería (no hay idea, en absoluto, de por qué, todo es magia para mí) durante aproximadamente 30 s . Entonces el tiempo total del ciclo es 75 s .

El objetivo es minimizar la potencia promedio para ayudar a maximizar la duración del servicio de un sistema de batería, antes del reemplazo.

De lo anterior, también asumiría lo siguiente:

  • No se brindan servicios mientras el sistema está inactivo. Por lo tanto, sería aún mejor si no se consumiera energía en el medio. Es decir, los únicos períodos útiles son los que son ocasionales y consumen 75 mamá para 250 EM .

Debido a la duración del período activo que se está 250 EM , creo que está bien continuar con la idea de usar una MCU PIC. De lo contrario, la queja que podría tener, si el período fuera mucho más corto, sería que lleva un tiempo hacer que una MCU PIC arranque desde un sueño "frío": el oscilador solo necesita tiempo para ponerse al día. Por otro lado, un MSP430 puede disparar a toda velocidad en aproximadamente 1 m s . Pero dada la duración, la mayoría de las ventajas del MSP430 desaparecen. Eso me hace sentir bastante cómodo con el enfoque PIC MCU aquí.

Mientras reúno cosas, necesitas sobre 20 mC de forma gratuita durante el período de tiempo activo. La MCU PIC tiene un rango de voltajes en los que opera, y se pueden decir cosas similares sobre cualquier otra cosa que esté conectada. Digamos que las asignaciones que puede aceptar son una caída de no más de 200 mV durante el período activo. Ignorando las contribuciones de la batería y poniendo toda la carga en un capacitor, esto significa un valor de capacitor de 100 mF . Con un tipo de bajo voltaje, no tiene que ser tan caro o grande. Y esto supone que la batería en sí no puede contribuir durante este tiempo (lo que probablemente pueda hacer).

La corriente media necesaria es inferior a 2 mamá , dada su declaración de aproximadamente 10 s entre eventos de activación. Esto puede ser proporcionado por algo tan pequeño como una batería de litio CR2032 (que no es conocida por altas corrientes). necesidad, costo, complejidad y/o pérdidas en reposo de un regulador de voltaje.

Por supuesto, usted tiene otros problemas con los que lidiar y yo solo tengo una perspectiva de tubo muy estrecha sobre su proyecto. Pero lo que has escrito hasta ahora me lleva a ese tipo de consideración como un camino alternativo.

El enfoque que me gustaría que considerara sería arreglar las cosas para usar un capacitor como su almacenamiento de reserva, agregar un arreglo de límite de corriente al circuito para que la batería CR2032 no se golpee con fuerza cuando cargue el capacitor por primera vez, y simplemente ve con eso El MCU PIC puede entrar en un sueño decente con un consumo bastante bajo. Fin de la historia.

gracias jonk, planeo usar pilas alcalinas, como AA / AAA. Según su sugerencia, consideraré tener una tapa como (¿33 uF?) A través de las baterías. Pero volviendo a la pregunta original, ¿puedo mantener el modo de ahorro de energía habilitado todo el tiempo para mi regulador de CC como TPS61201? ¿Cómo variaría o se vería afectada la frecuencia de conmutación en el modo PS activado? ¿La frecuencia de conmutación variable sería una preocupación en EMC? Gracias..
@user101095 Con pilas alcalinas, no se necesita un condensador. Pueden proporcionar fácilmente ese nivel de corriente. Entonces, sin límite, sin resistencia de límite de corriente, solo una conexión directa. Sus voltajes van desde aproximadamente 1,56 V cuando están llenos hasta aproximadamente 1,2 V cuando están "muertos". Apilar dos significa alrededor de 3,1 V a alrededor de 2,4 V. Si usa un PIC que puede funcionar con un voltaje mínimo, puede dividirlo entre 2 para obtener la vida útil de su par de baterías. Las pilas AA no tienen problemas para entregar 75 mA incluso a 1,2 V.
@ user101095 A menos que tenga otra razón para el regulador TPS, lo eliminaría por completo y usaría exclusivamente piezas que puedan operar en el mismo rango de voltaje que el PIC. El regulador agrega costos, ocupa espacio, consume energía cuando no desea que lo haga y disminuye la confiabilidad. No hay buenos argumentos para ello, en absoluto, a menos que haya otras partes que lo requieran. El PIC, cuando duerme profundamente, consume una potencia insignificante (1 microamperio o menos, incluso con el RTC y el perro guardián en funcionamiento). Pero aquí es donde soy ignorante. No tengo ni idea de qué más hay que hacer aquí.
hay otras partes del circuito que requieren 3,3 V regulados... así que, de nuevo, vuelvo a la pregunta original que todavía no me queda clara... gracias...
@ user101095 No hay energía en absoluto en las baterías AA después de aproximadamente 1,2 V cada una (1,1 V queda ~ 0 %). Por lo tanto, creo que debe trabajar hasta 2,3 a 2,4 V. No hasta 1,6 V. Dado que tiene piezas de 3,3 V, tiene toda la razón sobre la necesidad de un impulso y me equivoco sobre la idea de usar baterías directamente. No había tomado ese punto hasta ahora. Lo lamento. Supongo que volvemos a algo como el TPS61221. Supongo que eliminaré mi respuesta pronto.
Regulador de refuerzo de conmutación de CC con carga ligera: ahorro de energía
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v