¿Cómo alimentar de manera eficiente el nodo del sensor inalámbrico con una batería de 9V?

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Contexto

Recientemente me propuse agregar algunas funciones inalámbricas a mi detector de humo de nivel de entrada.

Problema

Para lograrlo, agregaré un pcb personalizado con un ATmega328P y un nRF24L01, ambos a 3.3V. Sin embargo, el detector actualmente funciona con una batería de 9 V, que no es ideal para trabajar.

Además, me gustaría evitar realizar modificaciones en el hardware real y, para facilitar el mantenimiento, no deseo agregar una segunda fuente de alimentación.

Pregunta

Estoy tratando de encontrar la solución más eficiente de 9V a 3.3V en el caso de un nodo de sensor inalámbrico que pasará la mayor parte del tiempo durmiendo.

Se hizo una pregunta similar en Apague el regulador durante el reposo , pero La batería de 9 V restringe la elección de los reguladores.

Pensamientos y razonamiento

Por su poca eficiencia, los reguladores lineales están, por supuesto, descartados. Lo que nos deja con reguladores de conmutación.

El sistema estará dormido la mayor parte del tiempo, consumiendo solo unos pocos micro amperios. Aparentemente, esto es algo que los reguladores de conmutación tradicional no son buenos. Tener una carga tan ligera disminuye su eficiencia del 90% al 50% a veces.

Como solución, algunos de ellos ahora tienen una función llamada "modo discontinuo" en la que la frecuencia de conmutación varía proporcionalmente a la corriente de carga. Sin embargo, ¿qué tan eficiente es esta función realmente cuando se trata de cargas < 50 µA?

Las bombas de carga parecen ser una solución a la poca eficiencia de los convertidores dc / dc basados en inductor, pero no pude encontrar ninguna aceptación de una entrada de 9V. Sin embargo, me gusta la idea de usar condensadores en lugar de inductores para almacenar la energía. Ese es el camino que este tipo ha tomado: enlace . Su solución parece un buen punto de partida.

Estoy de acuerdo con que la línea de 3.3 V desciende regularmente a tan solo 2 V, ya que este valor aún se encuentra en las condiciones de operación de los componentes que elijo.

Podría usar la salida del IC del detector de bajo voltaje como una fuente de interrupción para despertar periódicamente el ATmega del sueño profundo en lugar del perro guardián. Y al deshabilitar el perro guardián, estoy ahorrando un poco más de energía.

Algunos convertidores de conmutación tienen una característica llamada desconexión verdadera, en la cual la entrada se desconecta físicamente de la ruta de salida. Por cierto, ¿esto realmente ahorra energía?

Solución propuesta

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

  • U1 es un convertidor dc / dc con desconexión verdadera y un rango de entrada de 2 a 10V.

  • R1 retira la línea! SHDN para asegurarse de que U1 esté habilitado en el encendido.

  • C1, cuyo valor aún está por determinarse, actúa como un condensador de reserva y proporciona energía cuando U1 se apaga.

  • U2 es un IC supervisor de subtensión con una salida de drenaje abierto

  • R4 tira! HABILITA el pin-alto para desactivar U2 en el inicio.

  • R2 y R3 forman un divisor de voltaje usado para establecer un umbral de 2V para U2.

  • R5 y R6 forman un divisor de voltaje que se utiliza para reducir el voltaje de la línea! SHDN a aproximadamente 2V para cumplir con los requisitos para el voltaje máximo de los pines de entrada ATmega.

  • El cambio de PD3 provocará una interrupción, que se utiliza para reactivar ATmega de vez en cuando, cuando C1 se descarga.

  • La salida de PD4 se puede establecer en BAJA para habilitar U2.

En el encendido, U1 se iniciará lentamente, tomando un par de ms para alimentar Vcc con 3.3V. U2 permanecerá deshabilitado. El ATmega entonces comenzará y procederá a la configuración.

Cuando desee entrar en modo de reposo, el ATmega apagará el tranceiver nRF24, habilitará sus interrupciones, apagará algunas de sus funciones (como BOD, WDT, OSC, ...), PD4 desplegable para activar U2, y finalmente empezar a dormir.

Con Vcc cerca de 3.3 V, U2 apagará rápidamente U1 y el sistema comenzará a funcionar. C1 descargará lentamente. Eventualmente, el voltaje Vcc caerá por debajo de 2V, lo que hará que U2 alcance un nivel alto de SHDN durante aproximadamente 190 ms. U1 entonces cargará C1 y traerá Vcc a 3.3V. La interrupción en PD3 hará que ATmega se active y le brinde la oportunidad de enviar un mensaje inalámbrico o no.

Entonces,

¿Hay algún problema con mi razonamiento? ¿Hay algún problema con el diseño del circuito propuesto? ¿Es consciente de formas diferentes (y quizás más simples) de lograr esto?

Muchas gracias, cualquier comentario sobre cualquiera de los anteriores será muy apreciado.

    
pregunta Nicolas Schurando

3 respuestas

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Eso es inteligente ... Ahora hagamos un poco de matemáticas:

  • La hoja de datos del LTC1515 indica, en modo de apagado y con Vin > 5V, una corriente máxima de 25 µA. Eso es algo que no puedes evitar. Es una especificación máxima, y el valor típico no se da, así que digamos que es 5µA.
  • Luego tienes el TPS9837P que siempre se está ejecutando, y usa 6µA. Con la eficiencia de LTC1515, que parece alcanzar un máximo del 50% para la salida de 3.3V y la entrada de 6V (y creo que sería mucho menor para la entrada de 9V, creo), que hace ~ 3µA.

Entonces, al menos tiene un promedio de 8 µA consumido por este circuito, sin la carga en sí. Esto es bastante bueno, en realidad.

Ahora, digamos que tratamos de mantenerlo simple: escriba "regulador de nanopotencia" en google, y verá el LTC3388.

Tiene menos de 1µA sin carga. Es más simple de implementar que el esquema que usted propone. Tiene mejor eficiencia cuando la carga está activa. Y la mejor parte: no es más caro que el LTC1515.

No hice mucha investigación. Puede haber opciones más interesantes que el LTC3388, dependiendo de lo que necesite exactamente (LTC es muy caro, puede haber mejores compromisos). Pero si yo fuera tú, trataría de hacerlo simple.

Editar nota

Le eché un vistazo más profundo al LTC1515, porque tenía dudas acerca de su eficiencia a altos voltajes de entrada, y realmente me di cuenta de que en su caso, ni siquiera es mejor que un regulador lineal (vea la parte superior de la hoja de datos, página 4). Me pareció realmente extraño que fuera más eficiente, porque hay muy pocas bombas de carga integradas que pueden funcionar como reductoras de voltaje. Y ese tipo de bombas necesitan al menos dos condensadores voladores.

Por lo tanto, es mejor que tome un regulador lineal más económico con una corriente de reposo muy baja si no desea el regulador de conmutación, ya que el LTC1515 no ofrece beneficios en su caso.

Pero no es tan ineficiente en realidad. Debido a que su circuito pasa la mayor parte del tiempo durmiendo, y dado el consumo de sueño del Atmega328P, el consumo estará dominado por la corriente de reposo del regulador principal, no por su eficiencia. Entonces, un regulador lineal puede ser realmente aceptable. Haga algunos cálculos para verificarlo, depende del ciclo de trabajo de los estados de trabajo / suspensión en su aplicación específica.

    
respondido por el dim
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El uso de un regulador lineal puede ser más eficiente en aplicaciones de baterías de potencia ultra baja.

Esta excelente nota de aplicación (se refiere al MSP430, pero es aplicable en general a bajo poder) explica esto.

Una parte importante de esa nota de aplicación dice:

  

Los diseñadores deben desviarse del pensamiento convencional de que la eficiencia es la figura de mérito más importante en un sistema de energía. En un sistema alimentado por batería, el principal problema es la pérdida de corriente de la batería.

En este tipo de sistema, el uso de un regulador lineal con 1 \ $ \ mu \ $ A o menos \ $ I_Q \ $ (en ocasiones enumerados como corriente de conexión a tierra) será más simple y más eficiente; cuanto más bajo sea el ciclo de trabajo del circuito, mayor será la eficiencia efectiva.

    
respondido por el Peter Smith
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Veamos LTC1515, o el convertidor de voltaje de condensador conmutado en general. Esto es más fácil de explicar si está restringido a la operación de reducción para la cual lo está utilizando. ¿Cómo se puede cargar un condensador a menos del voltaje de entrada (sin inductor)? La carga a través de un elemento resistivo y se detiene cuando la tensión alcanza el nivel requerido. El diferencial de voltaje completo está presente a través de este elemento resistivo. Por lo tanto, un convertidor de voltaje de condensador conmutado reducido tiene la misma limitación de eficiencia que un regulador lineal. Debido a la complejidad adicional, con una tecnología comparable, el convertidor de condensador conmutado perdería un regulador lineal más simple.

(Una forma de aumentar la eficiencia de un convertidor de condensador conmutado reductor es cargar una serie de condensadores, luego tener una red de interruptores para palear las conexiones de manera que los condensadores se descarguen en la salida con niveles de voltaje muy similares. )

Sugeriría revisar el regulador lineal, encontrar una corriente de reposo realmente baja y crear una solución como punto de referencia. Por ejemplo, a lo largo del camino, necesitaría definir condiciones de operación tales como: por cada 10 s, el circuito se activará durante 1 ms utilizando 100 mA. Si esta es realmente la condición de operación, esto resulta en un promedio general de 10 uA. Al observar solo las resistencias que tiene con sus esquemas existentes, la corriente utilizada por esas resistencias supera con creces esa diferencia. (Sé que puede refinar esos valores de resistencia aún más, y un punto de referencia sería una herramienta útil como guía para esta y otras decisiones de diseño).

    
respondido por el rioraxe

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