Le tre modalità con cui le tecnologie a basso IQ prolungano la durata della batteria senza compromettere le prestazioni

Con il mondo sempre più alimentato da batterie, dagli smartphone alle vetture, dai PC agli elettromedicali, la domanda di batterie e pacchi batteria ancora più performanti ed economici è in forte aumento. E mentre i produttori di batterie stanno introducendo nuovi composti chimici e pacchi più piccoli, che impongono nuovi e complessi vincoli ai requisiti di alimentazione, la funzionalità fondamentale rimane la stessa: le batterie di oggi devono avere un tempo di funzionamento massimizzato e una durata di conservazione estesa senza compromettere le prestazioni del sistema. 

Basso consumo in standby. Tempi di risposta rapidi. Ridotto fattore di forma 

Ridurre al minimo la corrente di riposo (I_Q) è una priorità quando si riduce il consumo energetico, con conseguente effetto sulla durata della batteria. L’I_Q di un dispositivo è semplicemente la corrente assorbita, o l’energia consumata, dalla batteria mentre è in modalità standby o durante il funzionamento a carico ridotto. Questo parametro può avere un impatto significativo sull’efficienza del dispositivo, in particolare nelle applicazioni alimentate a batteria. In questo caso, per ottenere un’elevata efficienza in condizioni di carico leggero o assente sono necessarie soluzioni di gestione dell’alimentazione che regolano rigorosamente l’uscita mantenendo una corrente di alimentazione estremamente bassa.

Molti dei moderni progetti richiedono solo pochi nanoampere di I_Q, una caratteristica importante per applicazioni che vanno dai veicoli elettrici (EV) fino agli utensili elettrici, auricolari, cuffie e auricolari che richiedono un lungo funzionamento in standby. E poiché questi sistemi trascorrono più del 99% del loro tempo in modalità standby, l’I_Q in modalità standby, o sospensione, può essere un fattore limitante per la durata della batteria.

L’ottimizzazione degli elementi costitutivi della gestione dell’energia come convertitori DC/DC, regolatori a bassa caduta di tensione (LDO), interruttori di alimentazione, riferimenti e supervisori di tensione e dispositivi di gestione della batteria, può contribuire a ridurre il consumo energetico e prolungare la durata della batteria stessa.

Ecco di seguito, illustrati i tre principali modi in cui le tecnologie a basso I_Q possono prolungare sia la durata della batteria che la conservazione della stessa senza compromettere le prestazioni.

Abilitazione di un consumo energetico ridotto e sempre attivo

Le tecnologie di processo a bassissima perdita e le nuove topologie di controllo consentono lunghi tempi di funzionamento della batteria. Il raggiungimento di un I_Q particolarmente basso quando il sistema è entrato in modalità standby prolunga la durata della batteria.

In Figura 1, il supervisore TPS37-Q1 di Texas Instruments raggiunge un I_Q per il monitoraggio della batteria dei veicoli elettrici pari a 1 µA (tipico) pur supportando tensioni di alimentazione fino a 65 V, il tutto senza compromettere l’area o il tempo di risposta.

Figura 1: Monitoraggio diretto della tensione di batteria scarica da 12 V/48 V con TPS37-Q1.

I circuiti integrati per caricabatterie come il BQ25155 (con un I_Q di 10 nA) in modalità ship (in attesa di spedizione) possono contribuire a garantire che la batteria non si scarichi, anche quando rimane per mesi o anni su uno scaffale. I regolatori a basso consumo come il TPS7A02 offrono un I_Q bassissimo, di appena 25 nA, e una modalità ship di soli 3 nA, contribuendo ad aumentare notevolmente la durata della batteria durante il funzionamento normale e in caso di interruzione.

Ottenere tempi di risposta rapidi

I comparatori con wake-up veloce e quelli zero-IQ consentono risposte dinamiche rapide senza compromettere il basso consumo energetico. Gli schemi di polarizzazione intelligenti che accelerano istantaneamente il comparatore quando viene rilevato un errore migliorano la velocità senza I_Q aggiuntivo. Ad esempio, nella Figura 2, il TPS62843, un regolatore a commutazione buck con un tipico I_Q di 275 nA, dimostra un miglioramento di oltre tre volte nel tempo di risposta Time× I_Q/I_LOAD rispetto alle generazioni precedenti. Inoltre, il TPS37-Q1 ha uno dei migliori tempi di risposta e rilevamento del settore (normalmente 8 µs), risultando da due a dieci volte più veloce rispetto alle alternative del settore.

Figura 2: Transitorio di carico del  TPS62843  a  1,2 V_OUT, da I_{OUT_MIN}=0 a I_{OUT_MAX}=300 mA.

Riduzione del fattore di forma

Le tecniche di riduzione dell’area per resistori e condensatori facilitano l’integrazione in applicazioni con vincoli di spazio senza incidere sulla corrente a riposo. I dispositivi nanopower di prossima generazione eliminano la necessità della maggior parte dei resistori pullup e pulldown esterni e delle reti di resistori esterni, offrendo fattori di forma molto più piccoli come il TPS7A02 con una dimensione del chip di 640µm x 64 µm.

Un altro modo per risparmiare spazio è integrare più funzioni su un singolo die. Questa integrazione consente a blocchi come il supervisore, il sistema di riferimento, il regolatore a bassa caduta di tensione, il caricabatteria e il convertitore DC/DC di condividere elementi costitutivi comuni riducendo al contempo l’I_Q combinato. Ad esempio, il BQ25125, un circuito integrato di gestione del caricabatteria disponibile in un package chip-scale da 2,5 x 2,5 mm, integra e controlla in modo flessibile molteplici funzioni a basso I_Q con I2C, che consente ai progettisti di portare un intero sistema di gestione della potenza in molteplici applicazioni a basso consumo.

Conclusioni

Con la crescente diffusione delle applicazioni alimentate a batteria, la pressante richiesta di un IQ molto basso senza compromettere le prestazioni del sistema può apparire difficile e,spesso, scoraggiante. Ma non sempre è così. L’ampio portafoglio di dispositivi con tecnologia I_Q ultra bassa di Texas Instruments consente di ottenere consumi particolarmente bassi senza compromessi in termini di prestazioni e costi, per massimizzare la durata della batteria e prolungare la durata nei progetti futuri di dispositivi alimentati a batteria.

Risorse addizionali

Texas Instruments mette a disposizione dei progettisti numerosi, interessanti risorse. Tra queste, segnaliamo:

• Il white paper, “Overcoming Low-IQ Challenges in Low-Power Applications.”
• La serie di corsi di formazione “How to Extend Battery Life with Low-IQ Technologies.”
• Il recente reference design, “Backup Battery Reference Design with Preboost, Charger and 1S Li-ion Fuel Gauge.”

Keith Kunz è Distinguished Member Technical Staff, Linear Power, Analog Design Engineer and Technologist presso Texas Instruments.