Analóg eljárásokkal a hosszabb elemélettartamért
Ahhoz, hogy az elemeket[1] maximális élettartammal működtethessük, három kulcskérdést kell megértenünk: az elemek technológiáját, a digitális energiagazdálkodást és a kis teljesítményű analóg módszereket. Míg a legtöbb tervező tisztában van az előbbi kettővel, kevésbé ismeri az analóg módszerek szerepét az elemek élettartamának növelésében.
Az elemek kémiája
A hordozható elektronikus eszközök tervezőinek egyik fontos kérdése, hogy milyen elemtechnológiát válasszanak. A négy legelterjedtebb kémiai szerkezet az elemeknél az alkáli, a nikkel-kadmium (NiCd), a nikkel-metálhidrid (NiMH) és a lítium-ion (LI-ion) elrendezés. Mindegyiknek megvan a maga előnye és hátránya.
Egy „friss” alkáli elem cellánként 1,5 V-os feszültséget állít elő. Ez a feszültség az elem elhasználódásával csökken, és a 90%-osan használt elem feszültsége 0,9 V-ra esik vissza. A viszonylag nagy kapacitás és a nagy belső ellenállás következtében az alkáli elemek nem felelnek meg az olyan nagy áramfelvételű alkalmazásokhoz, mint a távvezérelt játékok meghajtó elemei, a fényképezőgépek villanóegysége és a motoros kéziszerszámok.
Az ilyen nagyáramú alkalmazásoknál a NiCd-elemek jelentik a tartós és olcsó megoldást. Feltöltött állapotban a névleges feszültségük 1,2 V, amely az elem kimerüléséhez közeledve 0,9 V-ra csökken. Hátrányuk a viszonylag kis energiasűrűség és a felépítésükhöz szükséges mérgező fémek. Ráadásul újra és újra teljesen ki kell sütni ezeket, hogy megelőzzük azoknak a nagyméretű kristályoknak a kialakulását a cellalemezek felületén, amelyek kedvezőtlenül hatnak az elemek teljes élettartamára és teljesítményére egyaránt.
Ezzel szemben a NiMH-elemek környezetkímélőbb anyagokból épülnek fel, és nagyjából 40%-kal nagyobb az energiasűrűségük a NiCd-elemekénél. Feszültségük feltöltött állapotban 1,25 V, amely a teljes kisütéshez közeledve 1 V alá csökken. A NiMH-elemek hátránya a jelentősen nagyobb önkisülés, és a NiCd-elemeknél kevésbé állnak ellen az erős terhelés alatti üzemeltetési ciklusoknak és a szélsőséges üzemi hőmérsékletnek.
A jelenleg leggyakrabban alkalmazott kémiai felépítés a hordozható fogyasztási cikkeknél a Li-ion- elrendezés. A teljesen feltöltött Li-ion-cella üresjárási feszültsége 3,6 V, amely a teljes kimerüléskor 2,7 V-ra csökken. A Li-ion-elemek fontos előnye a kisebb tömeg, a magasabb cellafeszültség, és a továbbfejlesztett Li-polimer-változatnál ezek az előnyök még jobban érvényesülnek. További előnyük, hogy Li-ion- és Li-polimer-elemek energiasűrűsége a folyamatos fejlesztés eredményeképpen folyamatosan növekszik, és jelenleg a kétszerese az egyszerű NiCd-elemekének – folyamatosan csökkenő ár mellett. Ennek a kémiai szerkezetnek a fő hátránya az, hogy túltöltés esetén a cellák felrobbanhatnak. Ez a létező biztonsági megfontolás késztet több gyártót is arra, hogy kitartsanak a NiMH-elemek használata mellett, különösen, ha a méret és a tömeg nem kulcsfontosságú tényező.
DC-DC-átalakítók
A tervezés sikeréhez alapvető fontosságú a DC-DC-átalakításra szolgáló megoldások ismerete. Ezek nélkül nem optimalizálhatjuk a tervezett készüléket, és – egyebek közt – nem tudunk megalapozottan választani a lineáris feszültségszabályozók, a kapcsolóüzemű tápegységek és a töltésszivattyús feszültségátalakítók közül.
Bár a lineáris feszültségszabályozóknak több válfaja ismeretes, a hordozható elemről táplált alkalmazásoknál a leggyakrabban a kis feszültségesésű szabályozót (Low Dropout Regulator – LDO) használjuk. Ezek p-csatornás áteresztőtranzisztorokat használnak változtatható ellenállásként, visszacsatolt üzemmódban, és ezzel állítanak elő egy adott, szabályozott feszültséget.
Az összehasonlítás kedvéért: egy kapcsolóüzemű szabályozóban az energia egy diódán, egy tekercsen és egy vezérelt kapcsolón át jut el a kimenetre. E három legfontosabb elem egymáshoz kapcsolódásának módjától függően létrehozhatunk feszültségnövelő, feszültségcsökkentő és feszültségcsökkentő-növelő áramköröket. A feszültségcsökkentő (buck) szabályozó a bemeneti feszültségnél kisebb kimeneti feszültséget hozhat létre, ezért a funkciója hasonló egy LDO-szabályozóéhoz hasonlít. A feszültségnövelő áramkör a bemeneti feszültségnél nagyobb kimeneti feszültséget állít elő, míg a feszültségcsökkentő-növelő áramkör a bemeneti feszültségnél kisebb és nagyobb kimeneti feszültséget is előállíthat.
A szabályozók harmadik típusa a töltésszivattyú, amely kondenzátort használ energiatároló elemként. Az áramkör topológiájától függően egy töltésszivattyú képes a bemeneti feszültség kétszeresét, háromszorosát vagy felét előállítani, amit egy további szabályozó áramkör állít be a kívánt, szabályozott egyenfeszültségre. Mivel kondenzátor töltésével és kisütésével továbbítjuk az energiát a kimenetre, a töltésszivattyúk csak aránylag kicsiny (néhányszáz mA-nél nem nagyobb) egyenáramú terhelés meghajtására alkalmasak.
Az 1. táblázat foglalja össze az említett DC-DC-átalakítási technikák előnyeit és hátrányait, amelynek alapján – az alkalmazás igényeinek ismeretében – lehet a legmegfelelőbbet kiválasztani. Azokban az alkalmazásokban, ahol a hosszú elemélettartam[2] elsődleges fontosságú, egy nagy hatásfokú, kapcsolóüzemű tápegység lehet a legjobb választás. Ha viszont a tápfeszültség magas zajszintje zavarja az alkalmazás működését, a lineáris feszültségszabályozók valamelyikét célszerű választani.
1. táblázat A különböző DC-DC-átalakítási technikák összehasonlítása
A DC-DC-átalakítás különféle megoldásokat kínál az elemek élettartamának növelésére. Az 1. ábrán például azt láthatjuk, hogyan helyezkednek el a be- és kimeneti kondenzátorok a DC-DC-átalakítóhoz viszonyítva. Ebben a konfigurációban a kapcsolóüzemű szabályozónak, amely egy kapcsolóval szaggatja a bemeneti feszültséget, a bemeneti áramlökések hatását egy nagy értékű, töltéstárolóként használt bemeneti kondenzátorral lehet minimalizálni. Ez befolyásolhatja az elem élettartamát, mivel az elem belső ellenállása – kémiai szerkezetétől függően – meglehetősen nagy lehet, és az impulzusszerű áramterhelés jelentős feszültségesést okozhat. Egy nagyobb értékű bemeneti kondenzátor – az elem és a kapcsolóüzemű szabályozó közé kapcsolva – csökkenti a lökésszerű áramterhelést és ezzel a feszültségesést az elemcella belső ellenállásán. E feszültségesés minimalizálásával meghosszabbíthatjuk azt az időtartamot, ami alatt az elem feszültsége eléri a minimális értéket.
1. ábra A be- és kimeneti kapacitások elhelyezése kapcsolóüzemű szabályozónál
A kis teljesítményfelvételű alkalmazásokban, amelyek jelentős időt töltenek készenléti vagy alvó állapotban, nem szükséges, hogy a szabályozót teljes időben működtessük. Ilyenkor egy nagy értékű kimeneti kondenzátor használatával a terhelés alacsony áramigényét viszonylag hosszú ideig biztosítani lehet. A kapcsolóüzemű szabályozó időről időre való bekapcsolásával pótolni lehet a kondenzátorból elfogyott töltést.
Digitális energiagazdálkodás
Az elem élettartamának maximalizálására a másik általánosan használt eljárás a tápfeszültség dinamikus változtatása. Ha egy digitális terhelést – például egy mikrovezérlőt – alacsonyabb tápfeszültségről üzemeltetünk, az kevesebb áramot – következésképpen kevesebb energiát – fogyaszt. Hátrányos viszont, hogy a kisebb feszültséggel működtetett mikrovezérlőnek kisebb a feldolgozási sebessége és kimeneteinek meghajtóképessége is. A dinamikus feszültségszabályozás lehetővé teszi, hogy az eszköz kisebb feszültséggel, tehát kisebb energiafogyasztással működjön készenléti vagy alvó üzemmódban, és nagyobb tápfeszültséget kapjon, ha nagyobb a feldolgozási igény, illetve információátvitel történik. Ezt a módszert elterjedten használják a számítástechnikában és számos teleptáplálású mikrovezérlő-alkalmazásban.
A futási idő és a készenléti- vagy alvásidő aránya is befolyásolja egy adott alkalmazásban az elérhető elemélettartamot. Míg egy szénmonoxid-detektornál például folytonos működésre van szükség, más alkalmazásokban a vezérlő készenléti vagy alvó üzemmódban maradhat, míg a működés szükségessé nem válik. Ilyen időszakos működésű alkalmazás például az okos vízfogyasztásmérő, a távvezérlő és a fényérzékelésen alapuló füstjelző detektor.
Analóg energiagazdálkodás
Bőségesen állnak rendelkezésre online források, amelyek segítik a tervezőket a digitális energiagazdálkodás különféle módszereinek megértésében, amelyeket a mikrovezérlők kínálnak a beépített perifériák szükség szerinti ki- és bekapcsolása által. Azt is kimerítően tárgyalják ezek a források, hogy a folyamatos működés energiaigényéhez képest milyen megtakarítást jelent az alvó állapotba helyezés és az abból való szükség szerinti felébresztés.
Ha viszont arról próbálunk meg tájékozódni, hogy az analóg áramkörök energiagazdálkodásával milyen eredményeket érhetünk el, a választások már nem ilyen egyértelműek. Természetesen továbbra is igény van arra, hogy az analóg IC-ket a legkisebb áramfelvétellel működtessük a folyamatosan aktív alkalmazásokban, azonban a szakaszos működésű rendszerekben az áramfelvételbe bele kell számítani azt az időt is, ami az analóg elektronika bekapcsolásától az állandósult állapotba kerülésig eltelik. Emiatt előfordulhat, hogy egy nagyobb áramú, gyorsabb rendszer nagyobb hosszú idejű hatásfokot mutat, mint a kisebb áramfelvételű, de éppen ezért hosszabb beállási idejű változat.
A megfelelő elemtechnológia választása és a digitális energiamegtakarítási eljárások hatása jól ismert azon tervezők számára, akik növelni kívánják az elem élettartamát. A kis energiafogyasztású analóg megoldások gyakran kevésbé ismeretesek, mégis fontos szerepük lehet az elemélettartam növelésében és a tervezett rendszer optimális teljesítőképességének biztosításában.
[1] A magyar szaknyelv – az angollal ellentétben – a kémiai áramforrások területén finom különbségeket tesz. Elemnek az egycellás, nem újratölthető kémiai áramforrásokat nevezi, telepnek pedig ezek többcellás változatát. Akkumulátornak nevezzük általában az újratölthető kémiai áramforrásokat, sőt, néha akkumulátortelepként még ezek többcellás változatait is megkülönböztetik. A cikk megértéséhez erre a részletes felosztásra nincs szükség, ezért itt elemnek nevezünk minden kémiai áramforrást. – A ford. megj.
[2] A továbbiakban elemélettartamon a tölthető elemek által újratöltés nélkül elérhető üzemidőt értjük. – A ford. megj.
Szerző: Kevin Tretter – Microchip Technology Inc.
Még több Microchip
Címkék: energiagazdálkodás
