Đo và phân tích năng lượng sử dụng của pin lithium trong các mạch DC/DC

Cùng với việc ngày càng có nhiều thiết bị di động cung cấp năng lượng từ nguồn pin, phổ biến như điện thoại hay đến lĩnh vực rộng hơn như mạng cảm biến không dây hay các mạng nhúng khác, các hệ thống dùng pin ngày càng phổ biến. Các nguồn pin thông thường cho điện áp ra khoảng 1.5V hoặc 3.0V, và đặc điểm của nguồn pin là điện áp ra dao động, thay đổi theo thời gian trong khi các vi điều khiển (VĐK) hay mạch điện tử thường mong muốn điện áp cung cấp dao động trong khoảng càng nhỏ càng tốt. Các mạch ổn định điện áp, hay gọi tắt là ổn áp, ra đời để đáp ứng nhu cầu này.

Với hệ thống đòi hỏi tiêu chí sử dụng năng lượng với hiệu suất cao, ổn áp chuyển mạch DC – DC thường được sử dụng so với ổn áp tuyến tính (ví dụ như dùng IC 7805) với 2 nguyên nhân:

  • Hiệu suất cao hơn, vì không tiêu thụ điện áp chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra.
  • Có khả năng nâng áp, ví dụ một nguồn pin 3V có thể cung cấp nguồn 3.3V (thông thường với các VĐK hiện nay).

Phần tiếp theo sẽ giới thiệu hiệu suất của việc sử dụng pin lithium trong các mạch ổn áp DC – DC. Phần này được tóm tắt chủ yếu từ bài báo Battery Capacity Measurement and Analysis using Lithium Coin Cell Battery của S. Park et. al.

1. Thiết lập mạch khảo sát

Pin lithium, ví dụ CR2354 của Panasonic, có đặc điểm như sau

lithium battery specification

Output Voltage =3V là điện áp ra trung bình, còn Cutoff Voltage =2V, theo định nghĩa (từ Wikipedia) là giới hạn dưới mà pin còn có thể cung cấp năng lượng.

Một điều cần được lưu ý là cùng với thời gian sử dụng điện áp ra giảm dần, giảm dần cho tới tới đáy Cutoff Voltage. Tuy nhiên các pin có khả năng tự hồi phục, như hình bên dưới. Khi tải tiêu thụ dòng điện 8.5 mA, điện áp ban đâu từ 2.7V giảm xuống chỉ còn khoảng 2.57V trong vòng 300ms, nhưng nếu điện áp tiêu thụ giảm chỉ còn 1.9 mA, nguồn điện dần hồi phục lại (tăng áp lên).

recovery effect of relaxation

Hình 1 kết quả “hồi sức” của chế độ hồi phục (relaxation model)

Trong phần phân tích dưới đây, pin lithim được qua một mạch ổn áp DC-DC dùng chíp Maxim 1771 để đạt tầm 3.3V, cung cấp cho một nốt cảm biến không dây. Mạch DC-DC của Maxim 1771 có thể được lắp đặt giống như trong bảng miêu tả kĩ thuật – datasheet – của nó, một mạch thử nghiệm (evaluation kit) có thể tìm thấy ở đây http:\\datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1771EVKIT.pdf.

Mạch để khảo sát năng lượng (điện áp + dòng) thiết lập như sau

battery measurement setup

Hình 2 thiết lập mô hình khảo sát

Điện trở R1 và R2 là điện trở shunt để đo dòng vào mạch DC/DC và mạch cảm biến thông qua việc đo điện áp.

Trong các khảo sát sau, chủ yếu mạch cảm biến hoạt động ở chế độ ngủ – sleep – và tiêu thụ dòng khoảng 4.2 mA, tương đương công suất 2.3V * 4.2 mW.

2. Kết quả

Trong khoảng thời gian ngắn

Hai hình sau cho thấy kết quả của bộ chuyển mạch DC-DC, đây là kết quả thông dụng của điện áp và dòng khi sử dụng bộ ổn áp chuyển mạch DC – DC.

current output

Hình 3 dòng điện ra từ pin lithium (chan1) và từ ổn áp DC/DC (chan3)

voltage output

Hình 4 áp ra từ pin lithium (chan2) và từ ổn áp DC/DC (chan4).

Hai hình trên thể hiện các số liệu thu thập trong 20 ms. Điện áp ra từ bộ ổn áp lớn hơn so với điện áp cung cấp từ nguồn pin, tương đương việc dòng điện từ pin lớn hơn (khi tính về công suất). Đây là đặc điểm mà mạch ổn áp tuyến tính không có được. Tuy nhiên như ở hình 4, điện áp ra tạo bởi ổn áp có độ dao động khá lớn (lớn hơn so với ổn áp tuyến tính).

Như vậy trong khoảng thời gian ngắn (20ms) như ở trên, mọi thứ đều đẹp đẽ, tín hiệu dao động ổn định. Nếu xét trong tầm lớn hơn, khoảng vài giờ thì sao nhỉ!

Trong khoảng thời gian dài

Hai hình tiếp theo vẽ dòng và áp trung bình từ nguồn pin và đầu ra bộ ổn áp trong thời gian 8 tiếng, xét chế độ ngủ – sleep – của mạch cảm biến.

average current output sleep mode

Hình 5 dòng trung bình từ pin lithium (chan1) và từ ổn áp DC/DC (chan3) trong khoảng thời gian dài.

average voltage output sleep mode

Hình 6 điện áp trung bình từ pin lithium (chan1) và từ ổn áp DC/DC (chan3) trong khoảng thời gian dài.

Tại hình 5, sau khi hoạt động được khoảng 7 tiếng, dòng điện bị kéo ra khỏi pin tăng một cách chóng mặt rồi rơi xuống đất (xấp xỉ 0-ma), sau đó tăng từ từ lên lại. Điều này cũng tương tự với trường hợp dòng điện. Điều gì đã xảy ra, phải chăng “hết pin”.

Câu trả lời không phải là do hết pin, với chế độ ngủ 4.2mA của mạch cảm biến, tuổi thọ của pin có thể tính bằng ngày; nếu hiệu suất bộ DC/DC là 100%, pin dùng được trong vòng 5.5 ngày và hiệu suất của nó thường đạt trên 90% (theo bản miêu tả kỹ thuật). Nguyên nhân đến từ việc “mỏi pin”, khi xem lại hình 1, có thể thấy cùng với thời gian, điện áp bên ngoài của nguồn pin bị giảm đi, khi đó để đáp ứng công suất ra (trong trường hợp này được giữ không đổi) bộ chuyển mạch DC/DC phải ra sức hút nhiều dòng hơn nữa; khi dòng bị kéo nhiều hơn, điện áp cung cấp giảm nhanh hơn, cứ thế lặp lại. Đây là một vòng hồi tiếp dương, dẫn đến một sự đột biến sau khoảng 7 tiếng đồng hồ. Khi điện áp giảm xuống dưới điểm chết – cutoff voltage – pin ngừng hoạt động, dòng ra bị cắt. Sau đó là qua trình tự phục hồi.

Như vậy có thể nói yêu cầu dòng điện từ mạch tiêu thụ – mạch cảm biến trong trường hợp này – càng lớn thì thời gian hoạt động của pin càng ngắn đi. Từ những phân tích này, có thể dẫn ra 2 kết luận như sau: (1) đặt toàn bộ hệ thống vào chế độ ngủ – sleep – bất cứ khi nào có thể để hạn chế việc pin nhanh chóng bị mỏi và tiết kiệm nguồn năng lượng cho pin; (2) sau một thời gian mạch không hoạt động nữa dù năng lượng vẫn còn, có thể thúc đẩy quá trình khôi phục bằng cách ngắt toàn bộ nguồn.

** Toàn bộ những hình ảnh ở trên được lấy từ bài báo Battery Capacity Measurement and Analysis using Lithium Coin Cell Battery của S. Park et. al.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s