Misuratori di portata a potenza estesa

Tre vantaggi dell'utilizzo di un convertitore buck/boost a bassa IQ per aumentare la durata della batteria nei misuratori di portata. Suggerimenti da Texas Instruments

Le batterie al litio cloruro di tionile (LiSOCI₂) sono diffuse nei misuratori di portata intelligenti perché offrono una maggiore densità di energia e un migliore rapporto in termini di costo per watt rispetto ad altre tipologie di batterie chimiche, come quelle al litio biossido di manganese (LiMnO₂). Uno svantaggio delle batterie al LiSOCl₂ è la scarsa risposta ai carichi di picco, che può comportare una diminuzione della capacità utile della batteria. Pertanto, in questo articolo, verrà descritto un metodo efficace per disaccoppiare i carichi di picco dalla batteria, in un intervallo di poche centinaia di milliampere, contribuendo quindi ad aumentare la durata della batteria.
Massimizzare la capacità utile della batteria è importante perché consente al progetto del sistema di supportare:
- più letture del misuratore e più dati trasmessi con la stessa batteria;
- maggiore autonomia con la stessa batteria;
- minori dimensioni della batteria a parità di autonomia.
L'effetto complessivo riduce al minimo i costi della batteria e di manutenzione, nonché i costi di sviluppo, e permette quindi un maggiore riutilizzo di un unico progetto per più tipologie di misuratori di portata

La sfida progettuale: aumentare la durata della batteria

Perché il progetto di un misuratore sia valido, deve offrire una lunga durata operativa (>15 anni) rendendo al tempo stesso possibili funzionalità come il controllo delle valvole, la registrazione e la trasmissione dei dati. Aumentare l'autonomia della batteria è un metodo efficace per aumentare il tempo di esercizio di un misuratore. Tuttavia, collegando la batteria al carico direttamente senza alcun buffer di alimentazione interposto, il complesso profilo di carico del misuratore potrebbe compromettere le prestazioni di durata della batteria.
In base al livello di corrente, è possibile suddividere il profilo di consumo del carico di un misuratore standard tra modalità in standby, modalità intermedia e modalità attiva. Ciascuna modalità ha un effetto diverso sulla durata della batteria:
La modalità in standby consuma da 5 µA a 100 µA. Si tratta prevalentemente di corrente di riposo (IQ) consumata dai circuiti di metrologia, microcontroller e protezione. Sebbene il valore assoluto sia molto basso, di solito costituisce il principale contributo per la durata del misuratore. Nella modalità in standby, la IQ di qualsiasi convertitore CC/CC collegato dovrebbe rientrare nell'ordine di grandezza dei nanoampere e la perdita di qualsiasi buffer di potenza dovrebbe essere piccola per migliorare l'efficienza.
La modalità intermedia consuma da 2 mA a 10 mA. Di solito, il front-end analogico nello stadio RX contribuisce a questo carico. L'efficienza del buffer di alimentazione è importante per ridurre al minimo la perdita di energia in questa modalità.
La modalità attiva è quella che consuma la corrente più alta. In modalità attiva, di solito il carico proviene dalla valvola di pilotaggio e dal front-end analogico nello stadio TX e necessita tra i 20 mA e le diverse centinaia di milliampere. L'assorbimento diretto di questa corrente da una batteria LiSOCl₂ provoca un grave derating della capacità.

La Tabella qui sopra mostra il derating della capacità della batteria Saft LS33600 rispetto alla capacità nominale di 17 Ah in diverse condizioni di carico e temperatura. Ad una temperatura di esercizio di 20 °C, una corrente di carico di 200 mA comporta una riduzione della capacità del 42%. Pertanto, la batteria non dovrebbe mai alimentare il carico direttamente. Solo utilizzando un buffer di alimentazione a bassa perdita è possibile limitare la corrente di picco a meno di 10 mA.
Il convertitore buck/boost con IQ di 60 nA di TI, il TPS61094, contribuisce ad aumentare la durata della batteria mantenendo un'eccellente efficienza nelle modalità in standby, intermedia e attiva. Il TPS61094 offre tre vantaggi principali:
Altissima efficienza su un'ampia gamma di carichi. Il TPS61094 ha un'efficienza media >90% per carichi tra 5 µA e 250 mA in condizioni con V_out = 3,3 V e V_in >1,5 V. Questo consente un'alimentazione efficiente nella maggior parte dei casi d'uso di un misuratore di portata.

Limitazione della corrente di picco assorbita dalla batteria. Il TPS61094 è in grado di limitare la sua corrente di picco in ingresso quando opera in modalità Buck_on durante la ricarica del supercondensatore e anche in modalità supplemento durante l'alimentazione di un carico elevato su V_out con la batteria. La Figura 1 mostra la configurazione del TPS61094, mentre la Figura 2 mostra la corrente di picco della batteria quando è presente un impulso di carico di 200 mA e 2 s su V_out. Nella fase 1, quando il carico è elevato, la corrente di picco è limitata a 7 mA. Una volta rilasciato il carico nella fase 2, il dispositivo carica il supercondensatore con una corrente costante di 10 mA. Quando la tensione del supercondensatore torna a 2,0 V, il dispositivo interrompe la carica, pur rimanendo in modalità Buck_on.

Energia disponibile dal supercondensatore invariata sull'intero intervallo di temperatura. In genere, l'utilizzo di condensatori a strato ibrido (HLC) o condensatori elettrici a doppio strato (EDLC) come buffer di potenza permette di migliorare la capacità di carico a impulsi. Tuttavia, l'energia immagazzinata in questi componenti passivi dipende dalla tensione della batteria. Al calare della temperatura, diminuisce anche la tensione della batteria, peggiorando quindi la capacità di carico a impulsi dell'HLC o dell'EDLC e aumentando la corrente di alimentazione della batteria. Il TPS61094 elimina questo problema mantenendo stabile la tensione sul supercondensatore, in modo indipendente dalla temperatura.
L'energia utilizzabile nel supercondensatore è definita dalla capacità del supercondensatore, dalla tensione massima impostata attraverso il supercondensatore e dal blocco di sottotensione del TPS61094. Maggiore è l'energia utilizzabile di un supercondensatore, maggiore è l'autonomia con un carico continuo ed elevato.

La Figura 3 mostra una soluzione per buffer di alimentazione che utilizza rispettivamente il TPS61094 o soltanto i supercondensatori. Per la soluzione con TPS61094, la tensione del supercondensatore è impostata a 2 V. Alimentando un carico continuo, il TPS61094 è in grado di assorbire energia dal supercondensatore fino a 0,6 V. Pertanto, è possibile calcolare l'energia disponibile sul supercondensatore con l'Equazione 1:

Equazione 1

dove η è l'efficienza media del convertitore.
Nel peggiore dei casi, a –40 °C, il TPS61094 presenta un'efficienza media del 92% a 150 mA per una tensione di ingresso tra 2 V e 0,6 V. L'Equazione 2 mostra il risultato del calcolo:

Equazione 2

Per le soluzioni con HLC o EDLC, l'energia disponibile cambia in base alla tensione della batteria. Per una corrente di 10 mA a –40 °C, la tensione dell'LS33600 si riduce a 3 V. L'Equazione 3 permette di calcolare l'energia disponibile:

Equazione 3

Confrontando i risultati delle Equazioni 2 e 3, la soluzione con TPS61094 ha il doppio dell'energia disponibile rispetto alle soluzioni con HLC ed EDLC. In pratica, ciò significa che è possibile erogare più energia ai carichi e ridurre la corrente di picco assorbita dalla batteria in condizioni estreme. Ad esempio, in presenza di un carico di 200 mA a 3,3 V per pilotare una valvola, una soluzione con HLC o EDLC è in grado di sostenere il carico per soli 2,8 s. Il convertitore buck/boost TPS61094 con un supercondensatore integrato è in grado di sostenere il carico fino a 7,8 s, ipotizzando che il buffer di alimentazione alimenti l'intero carico.

Conclusioni

Il complesso profilo di carico-consumo dei misuratori di portata richiede un buffer di potenza per aumentare la durata di una batteria LiSOCl2. Grazie all'eccellente efficienza su un'ampia gamma di condizioni di esercizio, il TPS61094 costituisce una valida scelta per eliminare le problematiche di aumento dell'autonomia. Limitando la corrente di picco assorbita dalla batteria, questo convertitore buck/boost ne ottimizza la capacità e aumenta l'energia disponibile del supercondensatore, consentendo di allungare il funzionamento del sistema in condizioni di bassa temperatura rispetto a una soluzione con HLC o EDLC.

(Alex Pakosta è co-autore di questo articolo)