Obrovská vzpruha i pro malé baterie? Hlavně chytře a s citem

Ať již vyvíjíme zbrusu nové elektronické zařízení, nebo jindy zase modernizujeme stávající systém, finální úspěch bude pokaždé ovlivňovat spousta různých činitelů. Samozřejmě zde nemáme nic proti skvělým nápadům, softwaru dotaženému do posledních detailů ani doslova revolučním funkcím, jako byl třeba u mobilních telefonů nástup dotykového ovládání. Co když ale aplikaci napájené z baterií dojde z ničeho nic „šťáva“? Na čem bude v tu chvíli nejvíce záležet?

Způsobů, jak prodloužit výdrž bateriového zdroje napájení – a tentokrát máme opravdu na mysli primární články bez možnosti jakéhokoli dobíjení, existuje hned několik. Svou roli zde pochopitelně hrají chytře navržené nízkopříkonové režimy, ve kterých začíná elektronika trávit většinu svého času, a k zahození pochopitelně není ani vlastní diagnostika, včetně přesného měření aktuálních podmínek a včasné výstrahy. Podcenit ostatně nesmíme ani samotný výběr primárního článku – na stránkách DPS Elektronika od A do Z jsme psali např. v [1]. Jenže k celé věci lze přistoupit ještě aktivněji, a to přímo na straně zdroje s jinak omezenou kapacitou. Firma Nexperia ukazuje, jak na to.

Boost pro bateriový boom

Cesta k ještě efektivnějšímu nakládání s drahocennou energií povede v režii společnosti Nexperia přes některý ze čtveřice nových integrovaných obvodů, které jejich výrobce světu představil během letních prázdnin [2]. Novinky prodlužující výdrž baterií zde v základu ponesou označení NBM7100 a také NBM5100 nebo, chcete-li, „Coin cell battery life booster with adaptive power optimization“.

Jak již plyne rovnou z popisu, budeme mít v prvé řadě co do činění s primárními lithiovými články mincového provedení, které sice nelze nijak dobíjet, což ovšem stále neznamená, že by pro ně nešlo zajistit až desetinásobně větší výdrž. To už zní slibně, zvláště když v porovnání s takovou drobnou baterií bez doplňkového „boosteru“ na výstupu až dvacetipětinásobně poroste špičková proudová zatížitelnost.

Pokud tipujete kapacitní způsob ukládání energie podepřený DC/DC stupněm, máte nepochybně pravdu, pouze s tím rozdílem, že vysoce účinné spínací bloky budou v drobných pouzdrech se 16 vývody typu SOT763-1 či DHVQFN16 o velikosti 2,5 × 3,5 × 0,85 mm rovnou dva a ještě k tomu doplněné o inteligentní algoritmus učení. Jestliže mají i vaše řešení vynikat efektivní činností, při které se nejen snižuje objem vyprodukovaného bateriového odpadu, ale třeba i finální rozměry produktu, který se např. v minulosti neobešel bez docela velkých tužkových článků typu AA či podobných AAA, a nyní to může s přehledem zvládat i s menšími a také lehčími chemickými zdroji, pokračujte dále ve čtení.

Do poslední kapky

Co si budeme říkat, lithiové baterie CR2032 a také CR2025 mincového typu jsou v elektronice kvůli své vyšší hustotě energie a delší době skladovatelnosti populárním řešením napájení, a to nejen v případě nejrůznějších drobných zařízení. Vůbec proto nepřekvapí, když je budeme často nacházet dokonce i v systémech s mikrokontrolérem vybavených dále bezdrátovým rozhraním a nízkopříkonovými transceivery, pokud jde např. o Bluetooth^®, LoRaWAN^®, Sigfox™, LTE-M1 nebo NB-IoT či Zigbee. Zmíněné články však budou trpět docela velkým vnitřním odporem společně s chemickými reakcemi, které při pulzním zatížení snižují využitelnou kapacitu. A právě zde se ke slovu dostávají naše integrované novinky, obvody NBM7100 a NBM5100.

Princip činnosti není v základu vůbec složitý. První stupeň pro konverzi napájení ošetřuje „pomalý“ přesun energie z baterie do kapacitního úložiště, zatímco stupeň číslo dva již bude nakládat s uloženou energií tak, aby zajistil regulovaný výstup s vysokou pulzní proudovou zatížitelností až 200 mA, resp. napětím stavitelným od 1,8 V do 3,6 V.

Obr. 1  Primární lithiové baterie mincového typu, jako je např. všem dobře známá verze CR2032, nabízí malé rozměry, nízkou úroveň samovybíjení a také vyšší hustotu energie, takže se běžně využívají k napájení nejrůznějších senzorů s vf rozhraním. Taková čidla však bývají často umístěna i v hůře dostupných místech, což výměnu baterie pouze komplikuje. Moderní elektronika má ale naštěstí řešení [2]

Od inteligentního algoritmu učení se konečně očekává, že bude v průběhu opakovaných pulzních cyklů zatěžování monitorovat tok energie a optimalizovat přitom chod prvního stupně spínané DC/DC konverze tak, aby se v kondenzátoru minimalizoval zbylý náboj. Když pak nejsou aktuální žádné cykly, vyžádají si zmíněné součástky v režimu standby méně než padesát nanoampér. Zjednodušenou představu o vnitřní struktuře nám přináší funkční blokový diagram posledně zmiňovaného obvodu na obr. 2. Zařazení do širších souvislostí na úrovni dalších součástek poté sledujeme s přispěním obr. 3.

Obr. 2  Funkční blokový diagram adaptivních obvodů NBM5100A, resp. NBM5100B odkazující na dva spínané DC/DC stupně, včetně inteligentního algoritmu učení. Konstantní proudový odběr z baterie lze nastavit v rozmezí 2 až 16 mA [3]

Obr. 3  Prvky NBM5100A navržené tak, aby prodloužily výdrž drobné baterie, a jejich čestné místo při efektivním napájení snímače vybaveného bezdrátovým rozhraním. Napěťové vyvažování je v případě superkapacity příznačné právě pro obvody řady pět tisíc [3]

Hladce a s důvtipem

Provozní teplota baterií může v některých případech dokonce překračovat i úroveň, při které se nám již začíná vařit voda [1], nicméně pro nejrůznější komerční, ale také průmyslové aplikace provozované jak uvnitř budov, tak i venku bude bohatě stačit rozsah ohraničený -40 °C a na opačném konci pak zase +85 °C, stejně jako je tomu v případě obou našich obvodů od firmy Nexperia. Indikátor „vybité baterie“ pak upozorní systém na blížící se konec, zatímco ochrana proti poklesu napětí, označovanému též jako Brownout, ještě zbrzdí nabíjení vyrovnávacího kondenzátoru.

Co by to ale bylo za moderní elektronické součástky [3] bez možnosti číslicové konfigurace a také řízení ze strany systémového mikrokontroléru. Výrobce proto logicky vsadil na sériové rozhraní I²C, které se uplatní u obvodů NMB7100A a NBM5100A nebo SPI, tady již pro verze NMB7100B či NBM5100B. Další klíčové rozdíly u čtyřčlenné rodiny produktů navržených s cílem pozvednout výdrž mincové baterie na základě adaptivní optimalizace výkonu zachycuje tab. 1. Součástky vyráží do boje s poklesem napětí, resp. zkrácenou výdrží primárního zdroje, způsobenou vyššími pulzními odběry proudu z článků, jako jsou např. 3,6V lithiové baterie typu Li-SOCl₂ či 3V LiMnO₂, příp. i nově vznikající verze, takže se může z titulu prodloužených intervalů výměny zjednodušit i údržba celého systému. Vzájemné srovnání mezi vybranými druhy baterií plyne z tab. 2. Stojí za zmínku, že varianty integrovaných obvodů s označením NBM5100A/B, které zde máme rovněž na blokovém diagramu, se nebrání ani tolik oblíbeným superkapacitám, včetně související možnosti napěťového vyvažování.

Na dané téma si můžete více přečíst třeba v [4]. Za zmínku stojí též příbuzná technologie PassThru™, kterou jsme podrobněji rozebírali v [5]. Pokud totiž může něco prakticky bez omezení procházet „skrz“, netřeba tomu bránit.

Obr. 4  Chybět zde pochopitelně nesmí ani vývojové nástroje [3]

Odkazy:

[1] Baterii vložte a pak na ni zapomeňte. Její parametry to umožňují, https://www.dps-az.cz/public/DPS-2023-4/DPS-2023-4.html#p=15

[2] Tisková zpráva, https://www.nexperia.com/about/news-events/press-releases/Nexperia-unveils-industry-s-first-coin-cell-battery-life-and-power-booster.html

[3] Integrované obvody Nexperia pro řízení baterií, http://nexperia.com/battery-management

[4] Intelligent battery life booster IC makes powering the IoT leaner and greener, https://efficiencywins.nexperia.com/efficient-products/Intelligent-Battery-Life-Booster-IC-makes-Powering-the-IoT-Leaner-and-Greener.html

[5] Jak může technologie PassThru™ prodloužit výdrž systému pro ukládání energie, https://www.dps-az.cz/public/DPS-2023-5/DPS-2023-5.html#p=8