Упрощение правил проектирования полупроводниковых микросхем также привело к снижению рабочего напряжения, что может упростить конструкцию схем с батарейным питанием и позволить одной щелочной (1,5 В) или литиевой (3,6 В) батарее обеспечивать длительный срок службы. Усовершенствования в интегральных схемах управления питанием (таких как энергосберегающие режимы ожидания и простоя, обеспечиваемые такими устройствами, как микроконтроллеры) также позволили создавать новые конструкции с более длительным сроком службы.
Однако ожидания конечных пользователей часто противоречат целям разработчиков, стремящихся увеличить время между подзарядками или заменами батарей. Ещё одним элементом в списке требований к батареям многих современных портативных устройств является тенденция к большим цветным экранам с большим количеством функций, создающих значительную нагрузку на процессор (например, сенсорное управление). Аналогично, постоянно растёт спрос на дополнительную функциональность и расширенные возможности продуктов, от небольших промышленных датчиков до смартфонов, предлагающих дополнительные функции, такие как хранение и воспроизведение мультимедиа, мобильный интернет и цифровые камеры для фото и видеосъёмки.
Эти факторы влияют как на требуемую емкость батареи, так и на ее способность обеспечивать высокие разрядные токи, необходимые в таких приложениях, как цифровые медиаустройства. Как правило, разработчикам приходится предлагать дополнительные функциональные возможности при тех же или меньших размерах, что и у предыдущего поколения продуктов. Это не позволяет им просто использовать более крупную батарею с увеличенной емкостью.
Выбор батарей:
Основные типы батарей, используемых в портативных устройствах, — это литий-марганцевые батарейки-таблетки, такие как CR2032 на 3 В (диаметр 20 мм x 3,2 мм); батарейки на 1,5 В, такие как LR44 (диаметр 11,6 мм x 5,4 мм); или щелочные или литиевые батарейки стандартных размеров, широко известные как AA (диаметр 51 мм x 14 мм) или AAA (диаметр 44,5 мм x 10,5 мм).
Характеристики батарей, такие как плотность энергии, ток разряда и стоимость, определяются их химическим составом. В целом, литий-марганцевые батареи не выдерживают высоких токов разряда, но обладают относительно высокой емкостью (мАч) в небольшом, тонком корпусе-таблетке. Ток саморазряда может составлять всего 250 нА.
Щелочные батарейки типа AA или AAA могут обладать большей емкостью и выдерживать более высокие токи разряда, но они значительно больше по размеру. Также доступны неперезаряжаемые литиевые первичные батареи типоразмеров AA или AAA, обеспечивающие сопоставимую энергетическую емкость при более высоких токах разряда. Кроме того, литиевая батарея может быть до 30% легче своего щелочного аналога.
Батарейки-таблетки или батарейки типа AA/AAA обычно используются в конструкциях, где батарея будет заменена пользователем после разряда. Некоторые виды оборудования, например, стационарные приборы, не требующие обслуживания в течение нескольких лет, могут быть утилизированы после разряда батареи. Батареи с низким саморазрядом, такие как литиевые батареи, предпочтительны для длительных или герметичных применений, особенно в аварийном оборудовании, таком как дымовые извещатели.
Перезаряжаемые никель-металлгидридные (NiMH) батареи типа AA или AAA могут обладать емкостью в мАч, сопоставимой с емкостью щелочных батарей, и подходят для применений с высокими разрядными нагрузками. Они выдерживают сотни циклов перезарядки, но скорость их саморазряда относительно высока, поэтому они не могут работать длительное время без обслуживания или подзарядки. В таблице I приведены преимущества популярных литиевых, щелочных и NiMH батарей.
В тех областях применения, где требуются особенно малые или тонкие размеры, и где размер рынка это позволяет, специально разработанная литий-ионная батарея может обеспечить высокую плотность энергии с высокой разрядной емкостью и низким саморазрядом.
Структура питания:
Если выбрана литиевая батарея, например, CR2032, микроконтроллер приложения должен, как правило, работать с током менее 1 мкА в режиме ожидания, чтобы максимально увеличить срок службы батареи. Низковольтные устройства, такие как встроенные микроконтроллеры, могут питаться от CR2032, когда напряжение батареи падает с 3,0 В до 2,5 В. Однако это не позволяет полностью использовать скромную энергетическую емкость батареи. Повышающий преобразователь может использовать большую часть энергии батареи, увеличивая напряжение для поддержания напряжения питания интегральной схемы выше требуемого уровня по мере разряда батареи.
Примером такого устройства является синхронный повышающий регулятор MCP1624 от Microchip, предназначенный для генерации необходимого напряжения питания для любого микроконтроллера Microchip PIC от напряжения батареи от 0,65 В до 1,8 В. Это позволяет питать любой микроконтроллер PIC от одной батареи напряжением 1,5 В. MCP1624 повышает напряжение батареи до 2,0 В–5,5 В для работы микроконтроллера. Требуется начальное напряжение 0,65 В, но регулятор может поддерживать работу даже при падении напряжения батареи до 0,35 В. MCP1624 имеет режим отключения, в котором потребляемый ток снижается до менее чем 19 мкА. Это помогает снизить нагрузку на батарею, когда приложение находится в режиме ожидания или простоя.
Управление питанием:
Если батарея соответствует максимальному току потребления приложения, управление питанием и тщательный выбор маломощных устройств, таких как основной микроконтроллер, позволяют разработчикам использовать батарею наименьшего размера для достижения целевого срока службы. Срок службы батареи определяется средним током, потребляемым за весь период работы. Для основного компонента, такого как микроконтроллер системы, средний ток представляет собой сумму токов, потребляемых в режимах энергосбережения и ожидания. Следовательно, время, проведенное в каждом режиме, оказывает существенное влияние на срок службы батареи. Таким образом, помимо выбора устройств с низкими значениями тока в режимах ожидания и простоя, разработчикам следует в полной мере использовать преимущества маломощных режимов работы устройства.
Несколько производителей создают микроконтроллеры, эффективно работающие от батарей. Они не только потребляют чрезвычайно низкий ток в активном и режиме ожидания, но часто предлагают дополнительные режимы ожидания, в которых остаются активными только определенные функции. Микроконтроллер может возобновить работу из этих режимов быстрее, чем из полного режима ожидания, что обеспечивает дополнительные возможности энергосбережения во время работы приложения. Другие энергосберегающие функции могут включать в себя отдельные шлюзы для периферийных устройств, позволяющие отключать определенные схемы, когда они не используются.
Заключение:
Стремление достичь большего с меньшими затратами является основополагающим для человеческой природы, о чем свидетельствует постоянно растущий рыночный спрос на электронные изделия. Хотя природа ограничивает производительность батарей в зависимости от их химического состава, тщательная разработка и инновационные решения в интегральных схемах управления питанием позволяют добиться дальнейших улучшений.
Автор:
Джо Брук, менеджер по продукции, компания Farnell.
