Los circuitos integrados de potenciador de pila extienden elegantemente la vida útil de las pilas de botón de litio en aplicaciones inalámbricas

El Internet de las cosas (IoT) ha acelerado la proliferación de sensores inalámbricos. Ya sea para uso por el consumidor, médico, industrial o agrícola, estos sensores deben ser pequeños, livianos y tener una batería de larga duración. Además, estos dispositivos someten las fuentes de energía a altas cargas de corriente intermitentes durante los modos de transmisión y recepción. Por ejemplo, las ráfagas de transmisión pueden consumir 100 miliamperios (mA), mientras que la operación de recepción puede consumir 10 mA, con períodos mucho más largos de operación en modo de suspensión de corriente más baja en el rango de microamperios (μA) (Figura 1).

Figura 1: El perfil de carga de un dispositivo inalámbrico típico muestra intervalos cortos de alta demanda de corriente para transmisión (100 mA) y operación de recepción (10 mA), y períodos mucho más largos de operación en modo de suspensión de corriente más baja. (Fuente de la imagen: Nexperia, modificada por el autor)

El período de operación de transmisión o recepción generalmente tiene una duración de decenas de milisegundos, mientras que el dispositivo generalmente permanece en modo de suspensión durante cientos de segundos. Aunque la corriente promedio es baja debido al corto ciclo de trabajo, las altas corrientes máximas plantean un problema.

Las baterías de botón de litio son pequeñas y tienen una alta densidad de energía, pero suministrar corrientes superiores a 10 mA puede reducir significativamente su vida útil. También tienen una resistencia interna relativamente alta y son ineficientes para suministrar estas corrientes más altas. Por ejemplo, una pila de botón nueva tiene una resistencia interna de aproximadamente 10 ohmios (Ω). Suministrar una corriente de 100 mA da como resultado una caída de voltaje de 1 voltio a través de la resistencia interna de la celda. Bajo esta pesada carga, la velocidad de reacción química de la celda también hace que el voltaje de salida caiga. Además, a medida que la celda envejece, aumenta la resistencia interna. Una posible alternativa es utilizar pilas alcalinas. Tienen índices de corriente máxima más altos, pero su desventaja es que son significativamente más grandes que las pilas de botón.

Los potenciadores extienden la vida útil de las pilas tipo botón

Nexperia ha desarrollado una solución inteligente para respaldar la pila de botón. Su familia de circuitos integrados (CI) que potencian la duración de la batería de tipo botón aísla las pilas de tipo botón de las altas demandas de corriente de los circuitos de radiofrecuencia. Al hacerlo, amplían la duración de las celdas en aplicaciones de sensores inalámbricos, lo que permite paquetes más pequeños y livianos con una excelente duración de la pila.

Los potenciadores utilizan etapas duales de convertidor CC-CC. La primera etapa extrae energía a baja corriente de la celda de botón para cargar un elemento de almacenamiento capacitivo a un voltaje más alto que el de la pila. Una vez que se carga el capacitor de almacenamiento, el segundo convertidor CC-CC suministra energía según demanda a la carga intermitente a un voltaje de salida regulado. La pila de botón nunca está sujeta a la alta corriente demandada por la carga externa, lo que extiende su vida útil.

Con este enfoque, la vida útil de la batería se puede aumentar de cuatro a diez veces en aplicaciones con alta corriente de carga intermitente, y al mismo tiempo aumentar la corriente de salida máxima hasta 25 veces. Hay dos familias de dispositivos que coinciden con las características de las baterías de dióxido de litio y manganeso (LiMnO₂) o de cloruro de tionilo de litio (Li-SOCl₂) (Tabla 1).

Tabla 1: Características de las familias NBM5100/NBM7100 de circuitos integrados de potenciador de duración de pilas de botón. (Fuente de la tabla: Art Pini)

Los potenciadores de pila son internamente similares (Figura 2).

Figura 2: Los diagramas de bloques de los dispositivos NBM5100A/B y NBM7100A/B muestran que son funcionalmente similares. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El funcionamiento de estos potenciadores de pila de botón también es similar (Figura 3).

Figura 3: Se muestran gráficos del voltaje y el estado actual del NBM5100/7100 para los ciclos de carga (diagrama superior derecho) y carga activa (diagrama inferior derecho). (Fuente de la imagen: Nexperia)

El potenciador de pila de celda utiliza convertidores CC-CC duales de alta eficiencia para proteger la pila de transitorios de carga de alta corriente de corta duración. En la primera etapa de conversión, se utiliza un convertidor elevador durante el ciclo de carga. Este ciclo se inicia antes de un período de corriente de carga pesada. Durante la carga, la energía se transfiere de la batería a un condensador de almacenamiento externo con un voltaje (V_CAP) superior al de la celda de la pila. El ciclo de carga extrae una corriente constante baja (I_VBT) de la pila. Debido a su resistencia interna, la baja corriente de carga produce una caída en el voltaje de salida de la pila (V_VBT). Con el capacitor cargado, el convertidor CC-CC del regulador reductor maneja el ciclo activo, transfiriendo energía desde el capacitor de almacenamiento a la salida (V_VDH), suministrando así corriente de carga alta (I_VDH) a un voltaje regulado con hasta un 90 % de eficiencia.

Tenga en cuenta que la corriente consumida de la pila (I_VBT) permanece muy baja durante el ciclo de carga e insignificante durante el ciclo activo. Esto disminuye la tensión repetitiva sobre la pila y extiende la capacidad utilizable de la celda. Cuando no está en el ciclo activo o de carga, la salida cae a un estado de reposo o de espera, consumiendo menos de 50 nanoamperios (nA).

Los circuitos integrados de potenciador de pila de celda utilizan un algoritmo de aprendizaje adaptativo que monitorea las características del pulso de carga y optimiza de manera inteligente la transferencia y el almacenamiento de energía al capacitor. Se pueden conservar hasta 63 perfiles de carga para ajustar el proceso de carga.

Modos de funcionamiento del potenciador

Los dispositivos NBM5100/7100 funcionan en modo continuo, bajo demanda y automático (solo versiones NBM5100A y NBM7100A). El modo continuo se utiliza en aplicaciones que requieren una respuesta instantánea a la carga transitoria. El condensador de almacenamiento está cargado y el convertidor CC-CC está inactivo. El voltaje en el capacitor de almacenamiento se monitorea y actualiza según sea necesario. Al recibir un comando activo, la salida regulada del condensador almacenado está inmediatamente disponible. El condensador de almacenamiento se recarga después de entregar la energía requerida a la carga. Cuando está completamente cargada, se establece la señal de listo.

El modo bajo demanda se utiliza para aplicaciones que requieren la máxima duración de la batería. Comienza en el estado de espera. El modo bajo demanda se inicia utilizando la interfaz de E/S para configurar el bit apropiado. El condensador de almacenamiento se carga cuando es necesario, haciendo que la energía almacenada esté disponible como lo indica la señal de listo.

El modo automático utiliza la señal de inicio para iniciar la operación bajo demanda sin utilizar la interfaz de E/S. La señal de listo indica que el capacitor de almacenamiento está completamente cargado y disponible.

Las series NBM5100/NBM7100 se controlan mediante interfaces de E/S en serie. Los dispositivos NBM5100ABQX y NBM7100ABQX utilizan una interfaz I²C, mientras que los circuitos integrados NBM5100BBQX y NBM7100BBQX están equipados con interfaces SPI.

Estos extensores de vida útil de la pila monitorean la cantidad de ciclos de carga e informan la carga restante en la celda de botón. Informan el estado de carga de la pila a través de un registro de indicador de combustible disponible a través de la interfaz serie.

Los extensores de duración de la pila de botón de la serie NBM5100/NBM7100 están disponibles en un encapsulado SOT763-1 (DHVQFN16) de 16 pines y tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +85 °C.

Nexperia ofrece las placas de evaluación NEVB-NBM5100A-01 y NEVB-NBM7100A-01 para NBM5100ABQX y NBM7100ABQX, respectivamente. Las placas permiten una evaluación rápida y cómoda de los amplificadores de batería. Se pueden conectar a una placa en desarrollo y controlar desde una PC a través de una conexión USB mediante una interfaz gráfica de usuario (GUI).

Conclusión

Los potenciadores de pila NBM5100/NBM7100 extienden la vida útil de las pilas de celda de botón de litio en aplicaciones inalámbricas de IoT con altas cargas transitorias que, de otro modo, podrían necesitar usar pilas AA o AAA mucho más grandes. Como tales, son una forma elegante de reducir el tamaño del dispositivo y al mismo tiempo reducir los costos.