I booster in CI per batterie estendono elegantemente la durata delle batterie a bottone al litio in applicazioni wireless

L'Internet delle cose (IoT) ha accelerato il proliferare dei sensori wireless. Che si tratti di applicazioni consumer, medicali, industriali o agricole, questi sensori devono essere piccoli, leggeri e avere una batteria di lunga durata. Inoltre, durante le modalità di trasmissione e ricezione questi dispositivi sottopongono le fonti di alimentazione a carichi di corrente elevati e intermittenti. Ad esempio, i burst di trasmissione possono assorbire 100 mA, mentre le operazioni di ricezione possono assorbire 10 mA, con periodi molto più lunghi di funzionamento in modalità di sospensione a corrente inferiore nell'ordine dei microampere (Figura 1).

Figura 1: Il profilo di carico di un tipico dispositivo wireless mostra brevi intervalli di domanda di corrente elevata per la trasmissione (100 mA) e la ricezione (10 mA) e periodi molto più lunghi di funzionamento in modalità di sospensione a corrente inferiore. (Immagine per gentile concessione di Nexperia, modificata dall'autore)

Il periodo di funzionamento in trasmissione o in ricezione ha in genere una durata di decine di millisecondi, mentre il dispositivo rimane normalmente in modalità di sospensione per centinaia di secondi. Anche se grazie alla brevità dei cicli di lavoro la corrente media assorbita è bassa, le correnti di picco elevate sono un problema.

Le batterie a bottone al litio sono piccole e hanno un'elevata densità di energia, ma l'alimentazione con correnti superiori a 10 mA può ridurne significativamente la durata. Inoltre, presentano una resistenza interna relativamente elevata e sono inefficienti nell'erogazione di queste correnti superiori. Ad esempio, una batteria a bottone nuova ha una resistenza interna di circa 10 Ω. L'erogazione di una corrente di 100 mA determina una caduta di tensione di 1 V attraverso la resistenza interna della cella. In presenza di questo carico alto, la velocità di reazione chimica della cella provoca anche una diminuzione della tensione di uscita. Inoltre, con l'invecchiamento della cella, la resistenza interna aumenta. Una possibile alternativa è data dall'utilizzo di batterie alcaline. Hanno correnti nominali di picco più elevate ma, per contro, sono molto più grandi delle batterie a bottone.

Il booster prolunga la durata delle batterie a bottone

Nexperia ha sviluppato una soluzione intelligente per supportare le batterie a bottone. La sua famiglia di circuiti integrati (CI) booster studiati per migliorare la durata delle batterie a bottone isola queste ultime dalle richieste di corrente elevata dei circuiti RF. Così facendo, la durata delle celle nelle applicazioni dei sensori wireless aumenta ed è possibile realizzare contenitori più piccoli e leggeri con un'eccellente durata della batteria.

I booster usano un doppio stadio convertitore c.c./c.c. Il primo stadio assorbe energia a bassa corrente dalla batteria a bottone per caricare un elemento di immagazzinaggio capacitivo a una tensione superiore a quella della batteria. Quando il condensatore di immagazzinaggio è carico, il secondo convertitore c.c./c.c. fornisce energia su richiesta al carico intermittente a una tensione di uscita regolata. La batteria a bottone non è mai soggetta a una richiesta di corrente elevata dal carico esterno, pertanto ha una durata maggiore.

Grazie a questo approccio, la durata della batteria può essere aumentata da quattro a dieci volte in applicazioni con un'elevata corrente di carico intermittente e, allo stesso tempo, si può aumentare la corrente di picco in uscita fino a 25 volte. Esistono due famiglie di dispositivi per rispondere alle caratteristiche delle batterie al litio-diossido di manganese (LiMnO₂) o al litio-cloruro di tionile (Li-SOCl₂) (Tabella 1).

Tabella 1: Caratteristiche delle famiglie NBM5100/NBM7100 di circuiti integrati booster per la durata delle batterie a bottone. (Tabella per gentile concessione di Art Pini)

I booster per batterie sono internamente simili (Figura 2).

Figura 2: I diagrammi a blocchi dei dispositivi NBM5100A/B e NBM7100A/B mostrano che, dal punto di vista funzionale, sono simili. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Anche il loro funzionamento è simile (Figura 3).

Figura 3: Sono raffigurati i grafici dello stato della tensione e della corrente dei dispositivi NBM5100/7100 per i cicli di ricarica (schema in alto a destra) e del carico attivo (schema in basso a destra). (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Il booster per batterie a bottone utilizza due convertitori c.c./c.c. ad alta efficienza per proteggere la batteria da transitori di carico ad alta corrente di breve durata. Nel primo stadio di conversione, durante il ciclo di carica viene utilizzato un convertitore boost. Questo ciclo viene avviato prima di un periodo di forte corrente di carico. Durante la carica, l'energia viene trasferita dalla batteria a un condensatore di immagazzinaggio esterno caratterizzato da una tensione (V_CAP) superiore a quella della cella della batteria. Il ciclo di carica assorbe una bassa corrente costante (I_VBT) dalla batteria. Data la sua resistenza interna, la bassa corrente di carica determina un calo della tensione di uscita della batteria (V_VBT). Quando il condensatore è carico, il convertitore c.c./c.c. del regolatore buck gestisce il ciclo attivo, trasferendo l'energia dal condensatore di immagazzinaggio all'uscita (V_VDH), alimentando in tal modo una corrente di carico elevata (I_VDH) a una tensione regolata con un'efficienza fino al 90%.

Tenere presente che la corrente della batteria assorbita (I_VBT) rimane molto bassa durante il ciclo di carica e trascurabile durante il ciclo attivo. Ciò riduce le sollecitazioni ripetute sulla batteria ed estende la capacità disponibile della cella. Quando non è in fase di carica o di ciclo attivo, l'uscita passa allo stato di quiescenza o di standby, con un consumo inferiore a 50 nA.

I CI booster per batterie a bottone utilizzano un algoritmo di apprendimento adattivo che monitora le caratteristiche dell'impulso di carico e ottimizza in modo intelligente il trasferimento e l'immagazzinaggio dell'energia nel condensatore. È possibile memorizzare fino a 63 profili di carico per regolare il processo di carica.

Modalità operative del booster

I dispositivi NBM5100/7100 funzionano in modalità continua, su richiesta e automatica (solo versioni NBM5100A e NBM7100A). La modalità continua è utilizzata nelle applicazioni che richiedono una risposta istantanea al carico transitorio. Il condensatore di immagazzinaggio viene caricato e il convertitore c.c./c.c. è inattivo. La tensione del condensatore di immagazzinaggio viene monitorata e aggiornata secondo necessità. Alla ricezione di un comando attivo, l'uscita regolata del condensatore è subito disponibile. Il condensatore di immagazzinaggio viene ricaricato dopo aver fornito l'energia richiesta al carico. Quando è completamente carico, viene impostato il segnale di pronto.

La modalità su richiesta è utilizzata per le applicazioni che richiedono la massima durata della batteria. Inizia nello stato di standby. La modalità su richiesta viene avviata utilizzando l'interfaccia I/O per impostare il bit appropriato. Il condensatore di immagazzinaggio viene caricato quando necessario, rendendo disponibile l'energia immagazzinata, come indicato dal segnale di pronto.

La modalità automatica utilizza il segnale di avvio per avviare il funzionamento su richiesta senza utilizzare l'interfaccia I/O. Il segnale di pronto indica che il condensatore è completamente carico e disponibile.

I prodotti della serie NBM5100/NBM7100 sono controllati tramite interfacce I/O seriali. I dispositivi NBM5100ABQX e NBM7100ABQX utilizzano un'interfaccia I²C, mentre i CI NBM5100BBQX e NBM7100BBQX sono dotati di interfacce SPI.

Questi espansori di durata della batteria monitorano il numero di cicli di carica e segnalano la carica residua della batteria a bottone. Segnalano lo stato di carica della batteria tramite un registro dell'indicatore di carica disponibile sull'interfaccia seriale.

Gli espansori di durata delle batterie a bottone serie NBM5100/NBM7100 sono disponibili in un contenitore a 16 pin SOT763-1 (DHVQFN16) e hanno un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +85 °C.

Nexperia offre le schede di valutazione NEVB-NBM5100A-01 e NEVB-NBM7100A-01 rispettivamente per NBM5100ABQX e NBM7100ABQX, per la rapida e comoda valutazione dei booster. Possono essere collegate a una scheda in fase di sviluppo e controllate da un PC tramite una connessione USB utilizzando un'interfaccia grafica utente (GUI).

Conclusione

I booster NBM5100/NBM7100 estendono la durata delle batterie a bottone al litio in applicazioni IoT wireless con carichi transitori elevati in cui, altrimenti, sarebbero necessarie batterie AA o AAA molto più grandi. Per questo motivo, sono un modo elegante per ridurre le dimensioni del dispositivo e i costi.