Consideraciones en el diseño de sistemas de suministro único y bajo consumo Parte II: Sistemas alimentados por batería

La Parte I de esta serie de dos partes (Diseños que utilizan alimentación de línea de CA) apareció en el último número de Analog Dialogue (29-3). En él, discutimos las implicaciones y las compensaciones de rendimiento al convertir a un sistema de suministro único utilizando dispositivos activos convencionales (es decir, caracterizados por no suministro único), como amplificadores operacionales, convertidores A/D y D/A, etc., y luego describió además varias familias de productos y procesos nuevos de Analog Devices que proporcionaron una operación de suministro único sin las limitaciones de velocidad y rango dinámico de los dispositivos convencionales. Continuamos aquí con las consideraciones involucradas en el diseño para operación de baja potencia, particularmente para aplicaciones portátiles y remotas con baterías.

Sistemas alimentados por batería

En un sistema alimentado por batería, el tiempo es el parámetro crítico. A diferencia de los sistemas alimentados por CA, donde el voltaje de suministro varía dentro de un rango específico y la disponibilidad de la corriente nominal tiene una duración ilimitada, una batería solo puede suministrar energía durante un período de tiempo finito antes de que necesite recargarse o reemplazarse. Además, a medida que la batería se descarga, cuanto mayor sea el consumo de corriente, mayor será la caída en el voltaje de la batería (o riel de suministro) (Figura 1).

Entonces, la clave para diseñar un sistema eficiente que funcione con batería es (a) maximizar la vida útil de la batería minimizando la corriente consumida por el circuito, especialmente la "corriente de reposo" continua; y (b) si es necesario, mantener el voltaje suministrado a la carga a un nivel constante durante la descarga usando alguna forma de circuito regulador entre la batería y la carga. Por ejemplo, una batería con una capacidad de 100 mA-hora que alimenta un circuito que consume 1 mA funcionará durante aproximadamente 100 horas antes de que sea necesario recargarla o reemplazarla. Si esta corriente de reposo se reduce a 100 uA, la vida útil de la batería aumenta idealmente a unas 1000 horas.

Antes de diseñar un sistema que funcione con baterías, es importante comprender el entorno, los requisitos y las condiciones de funcionamiento en las que se utilizará el sistema; esto permitirá al diseñador determinar qué tipo de batería se debe usar (por ejemplo, primaria o secundaria) y con qué frecuencia se deben reemplazar o recargar las baterías.

Por ejemplo, los sistemas como los registradores de datos industriales portátiles o los monitores médicos de emergencia a menudo se pueden recargar durante la noche (o cuando no se usan), por lo que un secundario, o batería recargable, se puede utilizar. Por otro lado, es posible que se requiera que equipos de baja potencia alimentados por batería, como estaciones meteorológicas remotas, registradores de datos sísmicos o balizas de señalización, funcionen durante semanas o incluso meses sin reemplazar o recargar la batería; para tales aplicaciones, se puede elegir una batería de tipo primario "desechable".

Regulación de la salida de la batería: Un regulador entre la batería y la carga mantiene el riel de suministro a voltaje constante durante la descarga de la batería. Esto puede ser importante por varias razones:

• Con amplificadores operacionales y otros dispositivos lineales similares, los cambios en el voltaje de la fuente de alimentación pueden desequilibrar el voltaje de compensación de entrada de CC de su valor ajustado previamente. En la mayoría de los casos, este ligero cambio en la compensación podría tener poco o ningún efecto sobre la precisión del sistema; sin embargo, en aplicaciones de alta precisión o bajo nivel, esto podría ser un problema.

Por ejemplo, la mayoría de los amplificadores operacionales de precisión muestran un rechazo de la fuente de alimentación (PSR) en CC del orden de 120 a 100 dB. Esto es equivalente a 1 a 10 microvoltios por voltio de cambio de suministro. Si el voltaje de suministro (batería) cayera de 5,0 V a 3,0 V, entonces el cambio en el voltaje de compensación de entrada sería

Para un rechazo de suministro de 100 dB (a 0,001 %), esto equivaldría a un cambio de compensación de 20 µV. Esto podría representar un número sustancial de grados en un sistema de monitoreo de temperatura que utiliza termopares sensibles de tipo B, R y S, con sensibilidades de temperatura del orden de 10 µV/°C o menos.

• Algunos diseñadores pueden usar el riel de suministro como referencia para convertidores de analógico a digital y/o de digital a analógico. A menos que la medición sea radiométrica, el uso de la salida de la batería sin procesar como referencia de voltaje puede generar problemas de precisión. Por ejemplo, un cambio de dos voltios en el voltaje de la batería puede causar una caída del 40 % en el factor de escala de un convertidor de datos. Un norteEl convertidor A/D o D/A de bits tiene un peso LSB (bit menos significativo) de V_ÁRBITRO/2^norte. Comparando 5 V con V de tensión de alimentación, utilizada como referencia:

2exp(n) 5 V 3 V

2exp(-12) 1,22 µV 732 µV

2exp(-16) 76 µV 46 µV

Dispositivos reguladores de voltaje, como la serie REF19x, son útiles para estabilizar el suministro o el voltaje de referencia. Mantendrán su voltaje de salida a un nivel constante hasta que el regulador alcance su voltaje de "caída", es decir, el valor en el que el regulador ya no puede mantener su salida constante (Figura 2).

El uso de un regulador requiere un voltaje de batería algo más alto, pero un tipo con voltaje de caída bajo puede minimizar el uso de celdas adicionales. Por ejemplo, el voltaje de caída del REF193 de 3 V varía de 0,8 V con una carga de 10 mA a 0,3 V con una carga mínima.

Ampliación de la vida útil de la batería: Las tres formas de extender el funcionamiento de la batería son: (1) Minimizar la corriente de reposo si se necesita un funcionamiento continuo; (2) Activar y desactivar la carga para que la batería funcione en un ciclo de trabajo más bajo; y (3) Apague el circuito cuando no esté en uso.

(1) Minimizar la corriente de reposo: La corriente de reposo general en el sistema se puede minimizar mediante

(a) aumentar proporcionalmente los valores de todas las resistencias de polarización del circuito (no siempre es una buena idea, ya que puede conducir a niveles más altos de ruido de Johnson o resistencia)

(b) usar dispositivos monolíticos, como amplificadores operacionales o convertidores de datos que han sido diseñados para operar desde un solo riel de suministro de +3 V a +5 V a baja potencia (<1 mA) o "micropotencia" (<100 µA ) niveles. La elección de soluciones se amplía a medida que más dispositivos están disponibles en el mercado, para cumplir con una variedad de presupuestos de energía operativa; se incluyen: amplificadores operacionales, convertidores de datos, multiplexores, conmutadores, referencias, etc.

La Figura 3 es un ejemplo de una "cadena de señal" de adquisición de datos multicanal típica, que funciona con batería, que utiliza dispositivos de baja potencia y suministro único.

(2) Activación y desactivación de la carga: Este es un enfoque útil cuando se requieren mediciones muestreadas. La serie REF19x, por ejemplo, tiene una entrada de control de "reposo" TTL, que permite que un consumo de carga, digamos 15 mA, se encienda y apague periódicamente, con un consumo de corriente de reposo residual de 5 µA.

(3) Apagando el circuito: Apagar el circuito (el caso general de encender y apagar la carga) es otra forma de conservar la energía de la batería. Al igual que el caso pulsado, tiene algunos problemas potenciales que deben entenderse antes de implementarlo:

(a) Se debe dejar tiempo para que todos los circuitos se asienten después de encender la batería. Un ejemplo destacado es la referencia de tensión interna (o externa) utilizada para convertidores A/D y/o D/A. Si no se permite suficiente tiempo después del encendido para que la referencia se estabilice y se realiza una conversión de AD o una actualización de DA, se producirá un error de ganancia. El tiempo de establecimiento requerido aumenta aún más si la salida de referencia se filtra para reducir el ruido; la capacitancia del filtro requerirá tiempo adicional para cargarse hasta su valor total.

(b) No es una buena idea apagar un amplificador o convertidor de datos mientras aún se aplica una señal analógica o digital. En el caso de un amplificador operacional, aplicar una señal positiva a la entrada positiva o negativa de un amplificador operacional desprotegido sin alimentación al riel de suministro provoca una polarización directa de una unión pn interna que hace que la corriente fluya desde la fuente de la señal al riel de suministro. (Figura 4). Si se permite que la corriente fluya en un amplificador sin protección durante un período de tiempo suficiente, se pueden producir daños en el amplificador debido a la "migración de metales" o la degradación (evaporación) de la traza.

El mismo problema existe para los convertidores AD y DA, si la fuente de alimentación está apagada, pero las señales lógicas de entrada aún están activas en las entradas digitales del convertidor.

(c) Muchos de los dispositivos de bajo consumo más nuevos disponibles en el mercado hoy en día cuentan con un modo de operación de apagado o "reposo", donde ciertas funciones del dispositivo se apagan para conservar energía, pero el dispositivo en sí sigue "activo". " en el sentido de que conserva su estado operativo. Por ejemplo, un convertidor D/A que está apagado aún conservará sus datos digitales bloqueados. Los dispositivos que cuentan con modo de operación de apagado o "reposo" generalmente están diseñados para no verse afectados por las señales analógicas o digitales presentes en sus entradas durante el modo de apagado.

Un ejemplo de un dispositivo que ofrece una función única es el convertidor A/D de muestreo de 12 bits AD7896. El AD7896 cuenta con un modo de apagado automático patentado, en el que el A/D entra automáticamente en un modo de "reposo" una vez que se completa la conversión, y "se despierta" automáticamente antes del siguiente ciclo de conversión. Durante el modo de funcionamiento de "reposo", la corriente de reposo se reduce mil veces, de 4 mA a 5 µA.

Una introducción a las baterías

A batería Consiste en una celda de energía o un grupo de celdas apiladas en serie para mayor voltaje o en paralelo para mayor corriente de salida.

La energía eléctrica de una celda de batería es producida por una reacción química entre sus materiales de ánodo, cátodo y electrolito. Vale la pena señalar que, en la terminología de la batería, el terminal positivo es el cátodoel terminal negativo es el ánodo.

Los materiales utilizados para el ánodo, el cátodo y el electrolito y su cantidad determinan principalmente la capacidad de salida de la batería, especificada en amperios-hora (Ah) o vatios-hora (Wh). Otros factores, como la densidad de energía (Ah/kg), el tamaño relativo, el costo, la estabilidad térmica, la vida de almacenamiento, etc., también están en función de la elección de los materiales. La ilustración compara las características de descarga de varios tipos de baterías primarias. [from The Art of Electronics, 2nd edition, by Paul Horowitz and Winfield Hill, as adapted by the authors from battery literature. Cambridge (UK): Cambridge University Press, 1989.]

Las baterías se clasifican como primarias (no recargables), secundarias (recargables) o de reserva (inactivas hasta que se activan):

1. Las baterías primarias suelen ser relativamente económicas; generalmente se encuentran en aplicaciones donde se espera una operación a largo plazo con un consumo de corriente mínimo. Los ejemplos incluyen un dispositivo de activación remota en miniatura de un automóvil para entrada/alarma "sin llave", multímetros de mano portátiles, registradores de datos remotos portátiles, dispositivos de señalización remotos o de emergencia, etc. Las baterías estándar de celda seca de tamaño AA, C y D que se encuentran en radios, linternas, juguetes, etc., son ejemplos de baterías primarias de consumo de bajo costo.
2. Las baterías secundarias tienen la ventaja de ser recargables; a menudo se encuentran en aplicaciones como la batería de respaldo en un sistema alimentado por CA (por ejemplo, computadoras centrales o sistemas de iluminación de emergencia) donde el sistema carga continuamente la batería secundaria, o en aplicaciones donde las ráfagas de salida de alta energía para se requieren períodos cortos de tiempo, como en herramientas eléctricas portátiles.
3. Las baterías de reserva están diseñadas para un almacenamiento a largo plazo y no pueden proporcionar ningún rendimiento hasta que se agregue un elemento químico clave (generalmente el electrolito). La batería de 12 voltios de un automóvil en el estante del concesionario de automóviles es un ejemplo de una batería de reserva.

El siguiente cuadro enumera los tipos de batería más conocidos y sus propiedades:

Batería	Escribe	Ánodo	Cátodo	Voltios de celda	Ah/kg
Alcalino	Primario	zinc	MNO2	1.5	224
Litio	Primario	li	MNO2	3.5	286
Litio	Primario	li	ASI QUE2	3.1	379
Plomo-ácido	Secundario	Pb	PbO2	2.1	120
Níquel-Cadmio (Ni-Cd)	Secundario	Discos compactos	ni óxido	1.35	181
Hidruro metálico de níquel	Secundario	mh	ni óxido	1.35	206
Fuente: Handbook of Batteries, 2ª edición, por David Linden. Nueva York: McGraw-Hill, 1995.