Почему напряжение не отображается при расчете срока службы батареи?

У меня есть печатная плата с несколькими радиомодулями. В различных состояниях он в настоящее время использует от 100 мкА до 100 мА. Я могу подсчитать, сколько времени он проводит в каждом из своих штатов в течение данного года.

Радиомодули на моей печатной плате имеют широкий диапазон допустимого входного напряжения. Мой основной процессор и модуль Bluetooth Low Energy, например, принимают от 1,8 В до 3,6 В. Прямо сейчас я использую его на 3,0 В, используя понижающий DC-DC преобразователь.

Аккумулятор 18650 литий-ионный ( таблица данных ).

При полной зарядке он обеспечивает около 4,3 В. Я понизлю это до 3.0V. Аккумулятор имеет емкость 3400 мАч.

Предполагая, что средний ток, который я получаю, составляет 400 мкА. Мой расчет времени автономной работы просто:

время (ч) = емкость (Ач) / ток (А)

3,4 Ач / 400 мкА = около года

Теперь я знаю, что для снижения энергопотребления я должен использовать свою цепь при минимально возможном напряжении, поэтому я рассматриваю возможность замены преобразователя постоянного тока в постоянный и запуска основного процессора и модуля BLE с напряжением 1,8 В вместо 3,0 В. ,

У меня вопрос: почему в моих расчетах времени работы от батареи нигде не указано напряжение?

Он не фигурирует в вашем уравнении, потому что это уравнение предполагает, что вы используете батарею с ее выходным напряжением в течение всего использования без преобразования.

Это не тот случай, потому что вы используете понижающий преобразователь. Итак, чтобы построить правильное уравнение вы:

• get Vavgbat : среднее напряжение батареи в течение всего цикла разряда: график разряда в спецификации батареи показывает, что он составляет около 3,6 В для слабых токов, таких как тот, который вы используете.
• get Iavgbat : ток, который вы будете получать от батареи, в среднем за весь цикл. Это не ток, который вы используете на выходе преобразователя постоянного тока (я думаю, именно здесь вы что-то пропустили). Если мы говорим, что выходной ток преобразователя равен Iout , то Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / КПД ( КПД - это КПД преобразователя постоянного тока, обычно около 80-90%, проверьте таблицу данных).
• Затем вы применяете форум, который вы упомянули: время = емкость / Iavgbat .

Теперь вы видите выходное напряжение в формуле.

Итак, если емкость = 3,4 Ач, Iout = 400 мкА и КПД = 85%, имеем:

• время = 8670 часов (около года) для выхода 3 В
• время = 14450 часов (более полутора лет) для выхода 1,8 В

Еще одна вещь : учитывая большие времена, я думаю, вы должны учитывать саморазряд батарей (или ток утечки), который может быть значительным. К сожалению, я не увидел, что это упомянуто в спецификации батарей.

Дополнительная информация : откуда берется формула Iavgbat = ( Iout * Vout / Vavgbat ) / эффективность ?

Это происходит из-за того, что преобразователь постоянного тока, в отличие от линейного регулятора, способен выдавать (почти) столько энергии, сколько получает от своего входа. Так Pin = Pout / эффективность . Если мы скажем Pin = Vavgbat * Iavgbat и Pout = Vout * Iout , мы можем получить приведенную выше формулу.

Напротив, с помощью линейного регулятора напряжение падает без каких-либо последствий для входного / выходного тока. Таким образом, значение Iavgbat будет равно Iout (не считая тока покоя), которое было вашим первоначальным (неточным) предположением.

Мой вопрос: почему напряжение не учитывается в моих расчетах времени работы от батареи?

Потому что в ваших расчетах отсутствует один аспект.

Вы можете использовать два вида регуляторов напряжения:

• линейный или
• режим понижающего переключения.

Теперь, с линейным, «Энергия на заряд» (= физическое определение напряжения), которая «слишком велика», просто преобразуется в тепло (и впоследствии теряется).

Таким образом, ток, поступающий в линейный регулятор, почти такой же, как ток, используемый на регулируемом выходе. Мощность, поступающая в регулятор, выше, чем из него, потому что ток такой же, но напряжение ниже.

В преобразователях с переключаемым режимом энергия со стороны «ввода» накапливается, как правило, в магнитном поле внутри катушки (но для ваших малых мощностей могут иметь смысл дешевые и маломощные микросхемы стабилизатора напряжения с переключаемой емкостью, где энергия хранится только в электрическом поле).

Тогда из накопленной энергии «генерируется» только столько напряжения, сколько требуется.

Это означает, что мощность, поступающая в регулятор, такая же, как и выходная мощность (кроме не 100% эффективности), что означает, что если вы, например, вдвое меньше напряжения в своем регуляторе, ваш регулятор потребляет только половину тока это поставляет!

Теперь возникает вопрос: если все ваши модули поддерживают широкий диапазон входного напряжения, это означает, что все они имеют встроенные регуляторы питания. Теперь, если они линейные, вы, вероятно, правы использовать понижающий преобразователь режима переключения для повышения эффективности. Если эти модули содержат импульсные источники питания, вам не следует использовать собственный регулятор - весьма вероятно, что каскад регуляторов будет менее эффективен, чем один встроенный.

Независимо от эффективности преобразователя (или при условии 100%), напряжение батареи используется для расчета емкости (мАч) батареи. Точнее, полезное падение напряжения , 1,4 В ( 4,2 В - 2,8 В).

В вашем конкретном случае падение напряжения составляет всего 1,2 В (4,2 - 3,0), а фактический КПД может составлять 90%, что, как правило, сокращает продолжительность времени. Тем не менее, ваш средний ток составляет всего 400 мкА, что приводит к увеличению продолжительности времени, поэтому ваш ответ на один год кажется правильным.