¿Por qué el voltaje no aparece en el cálculo de la vida útil de la batería?

Tengo una PCB con algunos módulos de radio. En sus diversos estados, actualmente utiliza entre 100 µA y 100 mA. Puedo calcular cuánto tiempo pasa en cada uno de sus estados durante un año determinado.

Todos los módulos de radio en mi PCB tienen un amplio rango de voltaje de entrada aceptable. Mi procesador principal y mi módulo Bluetooth de baja energía, por ejemplo, aceptan cualquier cosa desde 1.8V a 3.6V. En este momento lo estoy ejecutando a 3.0V, usando un convertidor DC-DC descendente.

La batería es una batería de iones de litio 18650 ( hoja de datos ).

Cuando está completamente cargado, proporciona aproximadamente 4.3V. Lo bajaré a 3.0V. La batería tiene una capacidad de 3400 mAh.

Suponiendo que la corriente promedio que estoy extrayendo es de 400 µA. Mi cálculo para la duración de la batería es simplemente:

tiempo (h) = capacidad (Ah) / corriente (A)

3.4 Ah / 400 µA = aproximadamente un año

Ahora, sé que para reducir mi consumo de energía, debo ejecutar mi circuito al voltaje más bajo posible, así que estoy considerando cambiar mi convertidor DC-DC y ejecutar mi procesador principal y mi módulo BLE a 1.8V en lugar de 3.0V .

Mi pregunta es: ¿por qué el voltaje no aparece en ninguna parte del cálculo de la duración de la batería?

No aparece en su ecuación porque esta ecuación asume que está usando la batería a su voltaje de salida durante todo el uso sin conversión.

Este no es el caso aquí, porque está utilizando un convertidor reductor. Entonces, para construir la ecuación correcta, usted:

• Obtenga Vavgbat : el voltaje promedio de la batería durante todo el ciclo de descarga: el gráfico de descarga de la hoja de datos de la batería muestra que está alrededor de 3.6V para las bajas corrientes, como la que usa.
• Obtenga Iavgbat : la corriente que extraerá de la batería, en promedio, durante todo el ciclo. Es no la corriente se utiliza en la salida del convertidor DC-DC (que es donde se ha perdido algo, creo). Si decimos que la corriente de salida del convertidor es Iout , entonces Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / eficiencia (la eficiencia es la eficiencia del convertidor DC-DC, generalmente alrededor del 80-90%, consulte la hoja de datos).
• entonces aplica el forumla que mencionó: tiempo = capacidad / Iavgbat .

Ahora, ve el voltaje de salida en la fórmula.

Entonces, si la capacidad = 3.4Ah, Iout = 400µA y eficiencia = 85%, tenemos:

• tiempo = 8670 horas (aproximadamente un año) para una salida de 3V
• tiempo = 14450 horas (más de un año y medio) para una salida de 1.8V

Una cosa más : dados los grandes tiempos resultantes, creo que debe tener en cuenta la autodescarga de las baterías (o la corriente de fuga), que puede ser significativa. Desafortunadamente, no lo vi mencionado en la hoja de datos de las baterías.

Detalles adicionales : ¿De dónde viene la fórmula Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / eficiencia ?

Proviene del hecho de que un convertidor CC-CC, a diferencia de un regulador lineal, es capaz de generar (casi) tanta potencia como su fuente de entrada. Entonces Pin = Puchero / eficiencia . Si decimos Pin = Vavgbat * Iavgbat y Pout = Vout * Iout , podemos obtener la fórmula anterior.

Por el contrario, con un regulador lineal, el voltaje cae sin ninguna consecuencia en la corriente de entrada / salida. Entonces Iavgbat sería igual a Iout (sin tener en cuenta la corriente de reposo), que fue su suposición inicial (inexacta).

Mi pregunta es, ¿por qué el voltaje no aparece en ninguna parte del cálculo de la duración de la batería?

Porque a tu cálculo le falta un aspecto.

Puede usar dos tipos de reguladores de voltaje:

• lineal o
• modo de interruptor reductor.

Ahora, con lineal, la energía por carga (= definición física de voltaje) que es "demasiado" simplemente se convierte en calor (y posteriormente, se pierde).

Entonces, la corriente que entra en el regulador lineal es casi la misma que la corriente utilizada en la salida regulada. La potencia que entra al regulador es más alta que la que sale de él, porque la corriente es la misma, pero el voltaje es más bajo.

Con los convertidores de modo de conmutación, la energía del lado de "entrada" se almacena, típicamente en un campo magnético dentro de una bobina (pero para sus bajas potencias, los circuitos integrados de regulador de voltaje de capacitancia conmutados baratos y pequeños también podrían tener sentido, donde la energía se almacena solo en un campo eléctrico).

Entonces, solo se "genera" tanto voltaje de la energía almacenada como sea necesario.

Eso significa que la energía que entra en el regulador es la misma que la energía que sale (aparte de la eficiencia no 100%), lo que implica que si, por ejemplo, la mitad del voltaje en su regulador, su regulador solo consume la mitad de la corriente se suministra!

Ahora, la pregunta es, si todos sus módulos admiten un amplio rango de voltaje de entrada, significa que todos tienen reguladores de suministro integrados. Ahora, si estos son lineales, probablemente tenga razón al usar un convertidor reductor de modo de interruptor para aumentar la eficiencia. Si estos módulos contienen fuentes de alimentación conmutadas, no debería usar su propio regulador; es muy probable que la cascada de reguladores sea menos eficiente que la integrada.

Independientemente de la eficiencia del convertidor (o suponiendo el 100%), el voltaje de la batería se está utilizando para calcular la capacidad (mah) de la batería. Más correctamente, la caída de voltaje utilizable , 1.4v ( 4.2v - 2.8v).

En su uso particular, su caída de voltaje es de solo 1.2v (4.2 - 3.0) y la eficiencia real puede ser del 90%, ambos tienden a reducir el período de tiempo. Sin embargo, su corriente promedio es de solo 400uA, lo que tiende a aumentar el tiempo, por lo que su respuesta de aproximadamente un año parece correcta.