Как увеличить время автономной работы носимых устройств. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2019

Paul Pickering

Electronic Design

Чтобы максимально использовать доступную емкость аккумуляторной батареи, необходим системный подход к повышению энергоэффективности, а также к выбору компонентов, строго контролирующих работу батареи при минимальном потреблении энергии

«Делать больше и с меньшими затратами» – это не просто фраза из последней речи вашего генерального директора о сокращении корпоративных расходов, – это практически мантра для разработчиков носимых электронных устройств. Ведь список возможностей каждого нового поколения смартфонов, фитнес-устройств или умных часов обычно должен быть больше, чем у предыдущего. Например, в третью модель часов Apple Watch (Рисунок 1) включены акселерометр, гироскоп, пульсометр, микрофон, динамик, барометрический высотомер, измеритель уровня освещенности, Wi-Fi, Bluetooth, NFC, GPS и опционально LTE-телефон. Ах да, они еще показывают время.

Рисунок 1.	Как и в большинстве носимых устройств, в Apple Watch Series 3 практически нет места для аккумулятора емкостью 279 мА×ч. Тем не менее, при эпизодическом использовании эти часы могут работать до 18 часов. Однако, разговаривая по телефону, будьте осторожны, поскольку это может разрядить батарею за один час.

Но увеличение функциональности приводит к росту энергопотребления, а размеры и толщина корпуса, согласно существующим тенденциям, должны только уменьшаться.

Это приводит к тому, что пространства, отводимого под аккумулятор, с каждым разом становится все меньше. Уже дошло до того, что в современных смартфонах пользователь больше не может самостоятельно заменить потерявшую емкость батарею. Этой опцией пришлось пожертвовать ради того, чтобы создать более тонкий аппарат.

Еще меньше места для источника питания в носимой технике. Так, например, в умных часах или фитнес-устройствах часто есть место только для одноэлементной литий-ионной батарейки с напряжением 3.8 В и емкостью от 130 мА·ч до 410 мА·ч.

Неудивительно, что в меньшем по размерам и емкости аккумуляторе уже просто может не оказаться нужного количества энергии для новых энергоемких функций. В результате одной из самых распространенных жалоб покупателей носимых устройств является малое время автономной работы.

Системный подход к оптимизации энергопотребления

Сочетание повышенного энергопотребления и малой емкости аккумулятора заставляет разработчика экономить энергию всеми возможными способами. Эффективный подход системного уровня состоит в том, чтобы разделить устройство на функциональные блоки, сгруппировать их по количеству требуемой мощности, и после этого для каждой группы искать алгоритм работы, наиболее оптимальный, с точки зрения использования энергии (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Архитектуру типичного носимого устройства можно сегментировать на несколько блоков, основываясь на их профилях питания. Для максимальной энергоэффективности конструкции необходимо оптимизировать стратегию питания каждого блока.

Если функция используется редко, то узлы, отвечающие за ее поддержку, например, радиомодули, можно вообще полностью отключать на то время, пока они не нужны.

Каким-то узлам необходимо низкое энергопотребление в режиме ожидания при сохранении возможности быстрой реакции. К таким узлам, в частности, относятся микроконтроллеры и различные датчики, бóльшую часть времени находящиеся в спящем состоянии и включающиеся либо по расписанию, либо по запросам пользователя.

Для остальных узлов, возможно, самым главным будет высокий КПД при полной нагрузке. Дополнительным преимуществом всегда является возможность полного отключения аккумулятора от остальной части системы, чтобы гарантировать, что аккумулятор сохраняет заряд, пока продукт транспортируется или хранится на складе.

Системы управления аккумуляторной батареей для носимых устройств

Самыми распространенными компактными химическими источниками тока являются литий-ионные аккумуляторы. Наряду с множеством преимуществ по сравнению с конкурирующими устройствами, литий-ионным аккумуляторам присущ серьезный недостаток – сравнительно небольшая область безопасной работы (SOA). Перезаряд, глубокий разряд или перегрев могут иметь катастрофические последствия, поэтому система управления аккумуляторной батареей (СУАБ) должна тщательно контролировать ток, напряжение и температуру во время зарядки и работы.

В общем случае, СУАБ должна удовлетворять трем основным критериям: иметь минимальный собственный ток потребления, чтобы увеличить доступное количество энергии батареи, минимизировать время, необходимое для перезарядки, и обеспечивать максимально возможный уровень заряда батареи.

На время автономной работы влияет множество различных факторов, включая, среди прочего, емкость аккумулятора, ток потребления и режимы работы устройства. При этом на продолжительность автономной работы миниатюрных батарей наибольшее влияние оказывают два параметра СУАБ: ток утечки и ток окончания заряда.

Ток утечки

Для демонстрации влияния тока утечки СУАБ рассмотрим электронный браслет с аккумулятором емкостью 50 мА·ч, которой достаточно для 30 дней автономной работы.

Если предположить, что СУАБ идеальна и потребляет нулевой ток, то базовое потребление тока остальной части носимого устройства составит 64 мкА. При добавлении к этому току тока утечки СУАБ, время работы будет, естественно, уменьшаться. Например, при токе утечки, равном 75 нА, результирующий ток увеличивается незначительно и время работы все еще остается равным приблизительно 30 дням. Однако при токе утечки 5  мкА время работы устройства сократится на два дня, а при 20 мкА ресурс аккумулятора сократится уже на семь дней, или на 23%. Таким образом, для системы управления аккумуляторной батареей низкий ток утечки является обязательным требованием.

Ток окончания заряда

Почему так важен ток окончания заряда? Это такой зарядный ток, при котором зарядное устройство прекращает работу, считая аккумулятор полностью заряженным. Если порог окончания заряда будет слишком высоким, аккумуляторная батарея будет заряжаться не полностью, что необоснованно сократит время автономной работы устройства.

На Рисунке 3 показаны графики двух разных циклов заряда аккумуляторной батареи емкостью 41 мА·ч, начинающихся с одинакового тока 40 мА. По мере накопления энергии аккумулятором зарядный ток постепенно уменьшается, достигая тока отключения. Зеленой линией показан зарядный цикл с отключением на уровне 10% от емкости, что соответствует 4 мА, а красной – с током отключения 1 мА. Из графиков видно, что прекращение заряда при токе 1 мА обеспечивает около 2 мА·ч дополнительной емкости, что на 5% больше, чем при токе отключения 4 мА.

Рисунок 3.	Зарядные циклы аккумуляторной батареи емкостью 41 мА·ч при токах окончания заряда 4 мА и 1 мА.

В подобных случаях разработчику необходимо принимать компромиссное решение, выбирая между временем зарядки и временем автономной работы, ведь для наполнения этой дополнительной емкости 2 мА·ч длительность зарядки необходимо увеличить на 50 минут (с 97 до 146 минут). Есть ли в этом смысл? Все зависит от ситуации, но дополнительные 5% емкости для умных часов соответствуют приблизительно двум часам работы.

Чем меньше емкость батареи, тем более критичным становится контроль тока окончания заряда. Так, например, при зарядке аккумуляторной батареи емкостью 20 мА·ч зарядным устройством, отключающимся при токе 5 мА, более 10% емкости просто не будет использоваться.

Окончание