Por que a tensão não aparece no cálculo da duração da bateria?

Eu tenho um PCB com alguns módulos de rádio. Nos seus vários estados, atualmente usa entre 100 µA e 100 mA. Eu posso calcular quanto tempo ele gasta em cada um de seus estados em um determinado ano.

Todos os módulos de rádio da minha placa de circuito impresso possuem uma ampla faixa de tensão de entrada aceitável. Meu processador principal e o módulo Bluetooth Low Energy, por exemplo, aceitam algo entre 1,8V e 3,6V. No momento, estou rodando em 3,0V, usando um conversor DC-DC abaixador.

A bateria é um íon de lítio 18650 ( folha de dados ).

Quando totalmente carregado, fornece cerca de 4,3V. Vou descer para 3.0V. A bateria tem uma capacidade de 3400 mAh.

Supondo que a corrente média que estou extraindo seja de 400 µA. Meu cálculo para a duração da bateria é simplesmente:

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

3,4 Ah / 400 µA = cerca de um ano

Agora, eu sei que, para reduzir meu consumo de energia, devo executar meu circuito na tensão mais baixa possível, por isso estou pensando em mudar meu conversor DC-DC e executar meu processador principal e módulo BLE em 1,8V em vez de 3,0V .

Minha pergunta é: por que a tensão não aparece em nenhum lugar no meu cálculo de duração da bateria?

Ele não aparece na sua equação porque essa equação pressupõe que você esteja usando a bateria na voltagem de saída durante todo o uso sem conversão.

Este não é o caso aqui, porque você está usando um conversor abaixador. Então, para construir a equação correta, você:

• get Vavgbat : a tensão média da bateria durante todo o ciclo de descarga: o gráfico de descarga da folha de dados da bateria mostra que é em torno de 3,6V para as correntes baixas, como a que você usa.
• get Iavgbat : a corrente que você consumirá da bateria, em média, durante todo o ciclo. É não a corrente que você usar na saída do conversor DC-DC (que é onde você perdeu alguma coisa, eu acho). Se dissermos que a corrente de saída do conversor é Iout , então Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / eficiência ( eficiência sendo a eficiência do conversor DC-DC, geralmente em torno de 80-90%, verifique a folha de dados).
• então você aplica o forumla que você mencionou: tempo = capacidade / Iavgbat .

Então você tem:

Agora, você vê a tensão de saída na fórmula.

Portanto, se capacidade = 3,4Ah, Iout = 400µA e eficiência = 85%, temos:

• tempo = 8670 horas (aproximadamente um ano) para uma saída de 3V
• tempo = 14450 horas (mais de um ano e meio) para uma saída de 1,8V

Mais uma coisa : dados os grandes tempos resultantes, acho que você deve levar em consideração a autodescarga das baterias (ou a corrente de fuga), que pode ser significativa. Infelizmente, não o vi mencionado na folha de dados das baterias.

Detalhe adicional : De onde vem a fórmula Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / eficiência ?

Isso se deve ao fato de um conversor DC-DC, ao contrário de um regulador linear, ser capaz de produzir (quase) tanta energia quanto extrai de sua entrada. Então Pin = Faneca / eficiência . Se dissermos Pin = Vavgbat * Iavgbat e Pout = Vout * Iout , podemos obter a fórmula acima.

Pelo contrário, com um regulador linear, a tensão cai sem qualquer consequência na corrente de entrada / saída. Portanto, Iavgbat seria igual a Iout (sem considerar a corrente de repouso), que foi sua suposição inicial (imprecisa).

Minha pergunta é: por que a tensão não aparece em nenhum lugar no meu cálculo de duração da bateria?

Porque seu cálculo está ausente em um aspecto.

Você pode usar dois tipos de reguladores de tensão:

• linear ou
• modo de interrupção.

Agora, com linear, a energia por carga (= definição física de tensão) que é "demais" é apenas convertida em calor (e subsequentemente perdida).

Portanto, a corrente que entra no regulador linear é praticamente a mesma usada na saída regulada. A energia que entra no regulador é maior do que sair dele - porque a corrente é a mesma, mas a tensão é mais baixa.

Nos conversores de modo comutador, a energia do lado "entrada" é armazenada, normalmente em um campo magnético dentro de uma bobina (mas, para suas baixas energias, os CIs baratos e pequenos de ICs de reguladores de tensão de capacitância comutados também podem fazer sentido, onde a energia é armazenado somente dentro de um campo elétrico).

Então, somente tanta tensão é "gerada" a partir da energia armazenada quanto necessário.

Isso significa que o poder vai no regulador é o mesmo que o poder sair (além de eficiência% não-100), o que implica que, se você, por exemplo, metade da tensão em seu regulador, o regulador só chama metade da corrente fornece!

Agora, a questão é: se todos os seus módulos suportam uma ampla faixa de tensão de entrada, significa que todos eles têm reguladores de alimentação integrados. Agora, se estes são lineares, você provavelmente está certo em usar um conversor de modo alternativo para aumentar a eficiência. Se esses módulos contiverem fontes de alimentação comutadas, você não deve usar seu próprio regulador - é muito provável que a cascata de reguladores seja menos eficiente do que a integrada.

Independentemente da eficiência do conversor (ou assumindo 100%), a tensão da bateria está sendo usada para calcular a capacidade (mah) da bateria. Mais corretamente, a queda de tensão utilizável , 1.4v ( 4.2v - 2.8v).

Em seu uso específico, sua queda de tensão é de apenas 1,2v (4,2 - 3,0) e a eficiência real pode ser de 90%, ambas tendem a reduzir o período de tempo. No entanto, sua corrente média é de apenas 400uA, o que tende a aumentar o período de tempo, portanto sua resposta de cerca de um ano parece correta.