Понимание рассеиваемой мощности регулятором LDO в связи с сроком службы батареи

Если у нас есть емкость аккумулятора 8000 мАч, уменьшит ли наш регулятор полезную емкость до 4400 мАч?

Нет, это не линейная зависимость.

Емкость оценивается от полного напряжения (1,5 В) до отсечки 0,8 В.
Со временем батарея разряжается и емкость уменьшается. Напряжение аккумулятора также снижается.

Напряжение отсечки составляет 3,3 В + падение напряжения 0,15 или 3,45 В.
С четырьмя батареями напряжение отсечки одной батареи составляет 3,45 В ÷ 4 = 0,8625 В.

Желтая область под кривой — это неиспользованная емкость.

Означает ли это, что если вместо этого мы используем 3 батарейки типа АА и получаем 73% КПД при преобразовании 4,5 В в 3,3 В, у нас все еще будет 4400 мАч полезного времени автономной работы?

С 3 АА напряжение отсечки одной батареи составляет 3,45 В ÷ 3 = 1,15 В
Все, что выше 1,15 В, не используется.

Желтая область под кривой — это неиспользованная емкость.

Вы будете тратить значительно меньше энергии батареи, используя 3 батареи, а не 4.

Единственное преимущество, которое вы получите, используя 4 батареи, — это снижение порога отсечки с 1,15 до 0,8625 В, что продлит срок службы батареи. Но в то же время энергия между 1,15 и 0,8625В тратится впустую.

Между красными линиями указано дополнительное время работы с четвертой батареей.
Желтым цветом под кривой здесь обозначена емкость, полученная при использовании 4 батарей вместо 3.

Переключатель повышения заряда батареи на 3,3 В очень прост.
Примером может служить одноэлементный высокоэффективный повышающий преобразователь Texas Instruments LV61225.

Если ток очень низкий, посмотрите на МАЛОМОЩНЫЙ СИНХРОННЫЙ ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.

Напряжение аккумуляторной батареи снижается с момента полной зарядки аккумуляторной батареи до полной разрядки. При расчете КПД для линейного регулятора (LDO — разновидность линейного регулятора) это нужно как-то учитывать. Самый простой способ - использовать СРЕДНЕЕ напряжение батарей по всей кривой разряда. Среднее напряжение щелочной батареи AA составляет около 1,3 В, хотя это зависит от нагрузки. Таким образом, при последовательном соединении 4 батарей среднее напряжение будет около 1,3 В * 4 = 5,2 В. Таким образом, средний КПД LDO будет 3,3/5,2, что составляет около 63%.

Если вы используете понижающий преобразователь, вы, вероятно, можете рассчитывать на получение 85% с относительной легкостью. Возможен и более высокий КПД, но делать все придется очень аккуратно. Таким образом, вы получите примерно на 30% больше времени автономной работы с понижающим преобразователем.

Есть что еще рассмотреть. Рассеиваемая мощность в LDO будет равна Iload*(Vin - Vout). Здесь вы должны использовать максимальное напряжение, а не среднее. Итак, давайте использовать 1,5 В. То есть Iloud * (6 - 3,3) = Iload * 2,7.

Для 100 мА это всего 270 мВт. Достаточно управляемый. Но если ваша нагрузка 500 мА, то это 1,35 Вт, с которыми будет сложно справиться. Таким образом, более высокие токи должны увести вас от LDO к понижающему преобразователю.

Теперь рассмотрим ток покоя. Если регулятор будет работать в течение продолжительных периодов без нагрузки или без света, необходимо учитывать ток покоя. LDO будут иметь гораздо меньший ток покоя, чем понижающие преобразователи, хотя некоторые понижающие преобразователи достаточно низки, чтобы работать в течение многих месяцев (без нагрузки) от батарей типа АА. Обратите внимание на характеристики тока покоя, если это применимо к вам. Кроме того, эффективность понижающего регулятора при очень малых нагрузках будет ненамного выше, чем у LDO.

Теперь рассмотрим стоимость. Если вы строите только один, разница в цене не имеет большого значения. Но если вы производите это массово, имейте в виду, что LDO НАМНОГО дешевле, чем понижающие преобразователи (в объеме). Хотя это может быть не так, если у вас выходной ток 200 мА или более, потому что тогда вам понадобится большой LDO или LDO плюс радиатор.

Так что это все компромиссы. Я предполагаю, что вам будет лучше использовать понижающий преобразователь в вашем приложении, если выходной ток не ниже 50 мА или около того, и в этом случае я бы использовал LDO.

Если у нас есть емкость аккумулятора 8000 мАч, уменьшит ли наш регулятор полезную емкость до 4400 мАч?

Нет. В нагрузке появляется заряд от аккумулятора, без учета отведенного на землю тока LDO.

Однако, если вы измерите свою основную батарею в Втч, то да, на нагрузке появится намного меньше Втч, так как вы «потратите» избыточное напряжение батареи. С такой разницей в напряжении, возможно, стоит рассмотреть возможность использования SMPS.

То есть, если у меня есть схема на 3,3 В и я использую линейный стабилизатор LDO, получу ли я более или менее такое же время автономной работы от 3 батарей AA, как и от 4 батарей AA из-за эффективности и рассеивания тепла?

Вы получите больше времени автономной работы от 4 АА, так как вы сможете понизить напряжение на элемент до достижения минимального напряжения в LDO. Предполагая, что ваш LDO будет работать с падением напряжения до 300 мВ, тогда с 3 АА вы можете снизить напряжение только до 1,2 В на ячейку, с 4 — до 0,9 В, что является значительным улучшением полезной емкости.

Вы должны использовать разные стратегии для разных клеточных химических процессов, если вы хотите добиться максимальной эффективности. Для типов элементов, где выходная энергия подается с большим размахом напряжения, таких как щелочные и перезаряжаемые литиевые, LDO будет тратить много напряжения в начале жизни, вам обычно будет лучше с SMPS. Для типов элементов с относительно плоской кривой напряжения, таких как никель, свинец, первичный литий и оксид серебра, тщательный выбор напряжения будет достаточно эффективным даже с LDO.