Технологии изготовления необслуживаемых АКБ

В данной статье мы расскажем о современных технологиях изготовления аккумуляторных батарей, применяемых в системах резервного электроснабжения.

Аккумуляторные батареи (АКБ), изготовленные по технологиям AGM и GEL являются традиционными свинцово-кислотными АКБ. Принцип их работы аналогичен принципу действия “обычной” аккумуляторной батареи. Однако, в отличии от “обычных”, например, автомобильных АКБ, батареи, изготовленные по технологиям AGM и GEL, содержат в себе абсорбированный (связанный) электролит, а не жидкий.

В батареях, изготовленных по технологии AGM (Absorptive Glass Mat – “поглощающее стекловолокно”), пространство между электродами заполнено микропористым материалом-сепаратором из стекловолокна. Эта система действует как губка – удерживает кислоту и не дает ей растекаться даже при повреждении корпуса АКБ.

При изготовлении батарей по технологии GEL (Gel Electrode – “электрод в виде геля”) в состав электролита вводится двуокись кремния, которая придает электролиту желеобразную консистенцию.

В классических свинцово-кислотных АКБ, в процессе заряда, происходит выделение газов (в основной массе водорода и кислорода), которые в дальнейшем испаряются. Благодаря применению пористого стекловолокна (технология AGM) или желеобразной консистенции (технология GEL), выделяющиеся молекулы водорода и кислорода не испаряются.

В процессе дальнейших химических реакций они возвращаются в состав электролита (в химии этот процесс называется рекомбинацией газов). Эффективность этого процесса в современных АКБ достигает 99% – количество испаряющегося газа ничтожно мало. По этой причине электролит сохраняет свои химические свойства в течение многих лет, а данные типы батарей называют необслуживаемыми.

Основные преимущества AGM и GEL аккумуляторов

• не требуют никакого специального обслуживания и доливки электролита
• относительно безопасны даже в случае повреждения корпуса (кислота находится в связанном состоянии)
• отсутствие испарений газов позволяет устанавливать их в любом даже жилом помещении
• низкий саморазряд – примерно 2% в месяц (при температуре 20°С)

Свободный газ, который с течением длительного времени эксплуатации накапливается в аккумуляторе, автоматически удаляется посредством специального выпускного клапана в тот момент, когда избыточное давление в корпусе АКБ достигает заданного уровня.  Поскольку количество этого газа крайне ничтожно – достаточно естественной вентиляции.

Вторая функция клапана – защита батареи от разрыва в случае непредвиденных ситуаций – резкое повышение температуры, экстремальные режимы работы и прочее.

Какой аккумулятор выбрать AGM или GEL?

Аккумуляторы AGM идеальны для буферного режима – режим работы, при котором аккумулятор постоянно заряжен, а разряды редкие и малой глубины. При таком режиме работы срок службы аккумулятора составляет 10-12 лет. Однако, использование его в цикличном режиме – постоянная разрядка-зарядка даже на 30-40% от номинальной емкости сокращает срок службы аккумулятора в 1,5-2 раза.

Также необходимо приступить к заряду аккумулятора AGM непосредственно после разряда (не позднее чем в течение 24 часов). В противном случае происходит необратимое снижение номинальной емкости аккумулятора.

Основные области применения

• буферные системы энергоснабжения
• источники бесперебойного питания
• сфера телекоммуникаций и связи
• станции сотовой связи
• бытовое потребление электроэнергии
• навигационное оборудование
• солнечные элементы

Аккумуляторы GEL лучше восстанавливаются после глубокого разряда, чем аккумуляторы AGM, даже если процесс заряда батарей происходит по прошествии какого-то времени после разряда. Батареи GEL нормально переносят недозаряд (этот тот случай, когда происходит повторное отключение внешнего электроснабжения, в то время как аккумулятор еще не успел полностью зарядится после первого отключения).

Электролит в густом состоянии менее подвержен расслоению на кислоту и воду, поэтому GEL аккумуляторы лучше переносят плохие параметры тока подзаряда.

Основные области применения

• системы энергоснабжения в цикличных режимах работы
• бытовое потребление электроэнергии
• сфера телекоммуникации и связи
• системы искусственного охлаждения
• запуск стационарных двигателей
• водяные насосы
• портативное медицинское оборудование

GEL аккумуляторы выдерживают большее количество циклов разряд-заряд по сравнению с AGM аккумуляторами. При прочих равных условиях количество циклов разряд-заряд GEL аккумуляторов может превышать количество циклов разряд-заряд AGM аккумуляторов в 1,5-2,0 раза.

Резюме

Преимущества AGM аккумуляторов

• более низкая стоимость по сравнению с GEL аккумуляторами, примерно 10-15%
• лучше переносят разряд большими токами (на большую мощность)
• подзаряд происходит быстрее, чем у GEL аккумуляторов 6-8 часов против 8-10

Преимущества GEL аккумуляторов

• выдерживают большее количество циклов разряд-заряд
• полностью восстанавливают емкость после глубокого разряда
• лучше переносят плохие параметры тока заряда
• хорошо переносят разряд из недозаряженного состояния

AGM аккумуляторы выгоднее использовать для резервного электроснабжения при редких и непродолжительных перебоях в электроснабжении, либо в “буферных системах”, когда требуется работа на большую мощность, но на короткое время (например, для запуска генератора).

GEL аккумуляторы больше подходят для ситуаций, когда длительность отсутствия внешнего электроснабжения имеет непредсказуемый характер. Особенно выгодны при длительной работе на небольшой мощности.

На нашем сайте Вы можете ознакомиться с каталогом АКБ, предлагаемых нашей компанией.

Тюменские аккумуляторы – RADIAN

Оставить заявку Купить

Аккумуляторная батарея является неотъемлемой частью любого современного автомобиля. Именно от аккумулятора будет зависеть надежность пуска двигателя, работа системы зажигания и электрооборудования. Неизбежно в процессе эксплуатации автомобиля появляется необходимость замены аккумулятора, ибо срок его служб значительно меньше срока службы автомобля.

АО «Тюменский аккумуляторный завод» производит более 50 типов аккумуляторных батарей для легковых автомобилей емкостью 38–100 Ач и грузовых автомобилей емкостью 132–230 Ач.

Модельный ряд «PREMIUM»

Аккумуляторы высокого класса для работы в любых климатических условиях. Аккумуляторы высокого класса с повышенными электрическими характеристиками, превосходящие требования автопроизводителей, с низким уровнем саморазряда и дополнительной стартовой мощностью.

Это очень надежные и эргономичные при эксплуатации аккумуляторы. Аккумуляторы предназначены для автомобилей всех классов, эксплуатируемых в любых климатических условиях и режимах работы. Дополнительная мощность обеспечивается за счет увеличения активной массы на электродах.

Достоинства и преимущества

• уверенный старт при экстремальных температурах;
• надежное энергообеспечение дополнительных систем безопасности (ABS, ESP и др.) и комфорта;
• высокая стойкость к циклам глубокого «заряда-разряда» в жестких режимах эксплуатации, в том числе в режиме такси;
• минимальный саморазряд;
• увеличенный срок эксплуатации.

Конструкция

• изготовлен с использованием технологии DSP;
• наличие индикатора заряженности;
• паста активной массы с запатентованным модификатором;
• корпус АКБ из высококачественного полипропилена, с повышенной температурной устойчивостью.

Тип батареи	Номинальная емкость (20 ч), Ah	Ток холодной прокрутки EN), A	Резервная емкость, мин.	Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм	Максимальная масса, кг	Расположение полюсных выводов (см. рис.)
6СТ-50L	50	410	79	206×175×190	13,8	1
6СТ-60LA	60	510	98	242×175×175	16,0	1
6СТ-64L	64	590	106	242×175×190	17,2	1
6СТ-74L	74	630	126	278×175×175	18,9	1
6СТ-77LA	77	640	132	278×175×190	20,5	1
6CT-80L	80	660	138	306×175×190	20,7	1
6CT-95L	95	720	169	345×175×213	26,0	1
6CT-145L	145	970	278	513×189×230	40,9	2
6CT-210L	210	1360	432	518×228×236	54,7	2
6CT-220L	220	1420	456	518×228×236	56,4	2
6СТ-230L	230	1480	481	518×278×242	59,4	2

Модельный ряд «STANDARD»

Экономичное решение при стандартной комплектации и энергонасыщенности. Аккумуляторы предназначены для большинства недорогих отечественных и импортных автомобилей со стандартной комплектацией и энергонасыщенностью. Изготавливаются по современной технологии и традиционной конструкции, соответствующим европейским нормам.

Достоинства и преимущества

• оптимальное соотношение высокого качества и низкой цены;
• высокая надежность при пуске двигателя;
• минимальный саморазряд;
• высокая резервная емкость;
• устойчив к перепадам бортового напряжения;
• длительный срок эксплуатации.

Конструкция

• наличие индикатора заряженности;
• виброморозоустойчивый корпус;
• положительные электроды увеличенной толщины;
• специально устойчивый к коррозии свинцовый сплав;
• эргономичная ручка для переноски;
• защитные колпачки для клемм.

Тип батареи	Номинальная емкость (20 ч), Ah	Ток холодной прокрутки EN), A	Резервная емкость, мин.	Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм	Максимальная масса, кг	Расположение полюсных выводов (см. рис.)
6СТ-44L	44	390	68	206×175×190	13,6	1
6СТ-55L	55	500	88	242×175×190	15,3	1
6CT-58L	58	510	94	242×175×175	15,8	1
6CT-60L	60	520	98	242×175×190	16,1	1
6CT-62L	62	550	102	242×175×190	16,8	1
6CT-66L	66	580	110	306×175×175	19,5	1
6CT-70L	70	590	118	278×175×190	19,2	1
6CT-72L	72	620	122	278×175×175	18,7	1
6CT-75L	75	630	128	306×175×190	20,0	1
6CT-82L	82	690	142	315×175×175	21,2	1
6CT-90L	90	680	158	345×175×213	25,0	1
6CT-100L	100	790	179	352×175×192	26,5	1
6CT-132L	132	920	249	513×189×230	39,1	2
6CT-190L	190	1300	383	518×228×236	50,7	2
6СТ-225L	225	1450	468	518×278×242	57,4	2

Модельный ряд «Сибирь»

Надежный и стабильный пуск при низких температурах. Аккумуляторы с высокими электрическими характеристиками и предназначены для автомобилей с мощными бензиновыми и дизельными двигателями. Полностью адаптированы к эксплуатации в условиях сурового российского климата. Резервный запас емкости обеспечивает надежный и стабильный пуск двигателя при низких температурах.

Достоинства и преимущества

• выдерживает большое количество циклов «заряд-разряд»;
• высокая резервная мощность;
• минимальный саморазря;
• оптимальная пористость активной массы и повышенная адгезия с токоотводом;
• устойчивость к перепадам бортового напряжения;
• увеличенный срок службы.

Конструкция

• наличие индикатора заряженности;
• виброморозоустойчивый корпус;
• изготовлен с использованием технологии DSP;
• паста активной массы по рецептуре и уникальной технологии компании «OXMASTER»;
• антивибрационная система уплотнения блоков электродов.

Тип батареи	Номинальная емкость (20 ч), Ah	Ток холодной прокрутки EN), A	Резервная емкость, мин.	Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм	Максимальная масса, кг	Расположение полюсных выводов (см. рис.)
6СТ-60L	60	530	98	242×175×190	16,4	1
6СТ-62L	62	570	102	242×175×190	16,9	1
6CT-60L «Magic eye»	60	530	98	242×175×190	16,4	1
6CT-62L «Magic eye»	62	570	102	242×175×190	16,9	1
6CT-78L	78	650	134	306×175×190	20,5	1
6CT-92L	92	700	163	345×175×213	25,7	1
6CT-142L	142	950	272	513×189×230	40,5	2
6CT-200L	200	1340	407	518×228×236	53,7	2

Модельный ряд «ASIA»

Аккумуляторы предназначены для установки на японские и азиатские автомобили, эксплуатируемые в российских условиях. Производятся в соответствии с японским индустриальным стандартом JIS.

Достоинства и преимущества

• повышенные пусковые характеристики;
• оптимальное соотношение стартерного тока и емкости;
• минимальный саморазряд;
• стабильность токоотдачи при высоких и низких температурах;
• сепаратор с повышенной ионной проводимостью;
• устойчивость к глубоким разрядам;
• высокая резервная емкость.

Конструкция

• изготовлен с использованием технологии DSP;
• электроды специальной конструкции, обеспечивающие максимальную токоотдачу;
• эргономическая ручка;
• виброморозоустойчивый корпус;
• клеммные колпачки;
• комплектация переходными выводами (по заказу).

Тип батареи	Номинальная емкость (20 ч), Ah	Ток холодной прокрутки EN), A	Резервная емкость, мин.	Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм	Максимальная масса, кг	Расположение полюсных выводов (см. рис.)
6СТ-38L	38	350	57	187×128×223	11,0	1
6СТ-40L	40	360	61	187×128×223	11,1	1
6CT-45L	45	400	70	236×128×223	13,5	1
6CT-50L	50	410	79	236×128×223	13,7	1
6CT-60L	60	520	98	231×173×223	16,1	1
6CT-75L	75	600	128	266×172×220	21,0	1
6СТ-95L	95	720	169	302×172×223	26.0	1

Модельный ряд «Тайга»

Аккумуляторы, сочетающие высокую мощность и надежность. Разработаны для автомобилей, эксплуатируемых в тяжелых районах крайнего Севера и малонаселенной местности, отличаются высокой степенью надежности и безопасности. Прекрасно подходят практически на все типы автомобилей, производимые в России и Европе.

Достоинства и преимущества

• уверенная работа при низких температурах;
• высокая резервная емкость;
• минимальный саморазряд;
• повышенная коррозионная стойкость электродов за счет введения в сплав запатентованного модификатора;
• предназначен для автомобилей всех классов;
• стабильный пусковой ток.

Конструкция

• изготовлен с использованием технологии DSP;
• паста активной массы по рецептуре и уникальной технологии компании «OXMASTER»;
• применение специальных добавок в активную массу;
• антивибрационная система уплотнения блоков электродов;
• система центрального газоотвода типа «Camina»;
• наличие индикатора заряженности;
• виброморозоустойчивый корпус и удобная ручка для переноски.

Тип батареи	Номинальная емкость (20 ч), Ah	Ток холодной прокрутки EN), A	Резервная емкость, мин.	Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм	Максимальная масса, кг	Расположение полюсных выводов (см. рис.)
6СТ-56L	56	500	90	242×175×190	15,5	1
6СТ-63L	63	575	104	242×175×190	17,0	1
6СТ-77L	77	640	132	306×175×190	20,2	1
6СТ-90L	90	690	158	345×175×213	25,1	1
6СТ-135L	135	930	256	513×189×230	40,0	2
6СТ-195L	195	1320	395	518×228×236	51,0	2

Отзывы

Объяснение цифровой обработки сигналов (DSP)

Несмотря на то, что технология существует уже несколько десятилетий, аудиоиндустрия начинает внедрять DSP в качестве следующей крупной функции в аудиопродуктах. Apple AirPods Pro, Sony 360 Reality Audio и даже динамики Amazon Echo используют DSP в своем оборудовании, так что же это? И кроме того, что это изменит в восприятии звука потребителями?

Примечание редактора: эта статья была обновлена ​​20 апреля 2023 г., чтобы обеспечить точность и своевременность содержащейся в ней информации.

Что такое цифровая обработка сигналов (DSP)?

DSP расшифровывается как Digital Signal Processing или процессор, что говорит само за себя. Эта технология используется в наушниках, смартфонах, интеллектуальных колонках, студийном аудиооборудовании, автомобильных развлекательных системах и многом другом. Это краеугольный камень современных аудиопродуктов.

В Apple AirPods (3-го поколения) встроен DSP для адаптивного эквалайзера и других функций обработки звука.

Вы, вероятно, знакомы с идеей процессора от ЦП компьютера, которые разработаны как многоцелевые процессоры. DSP — это процессор, предназначенный для обработки цифровых сигналов, таких как аудио. Они предназначены для выполнения математических функций, таких как сложение и вычитание, на высокой скорости с минимальным потреблением энергии.

Микросхемы DSP бывают разных размеров, цен и производительности. Масштабирование до многоканальных процессоров в автомобилях и профессиональном студийном оборудовании, вплоть до крошечных микросхем с низким энергопотреблением для распознавания голоса интеллектуальных динамиков. Они используются для ускорения выполнения алгоритмов, связанных со звуком, при этом потребляя меньше энергии, чем обычный ЦП.

Если устройство обрабатывает звук, оно почти наверняка имеет встроенный DSP.

Например, в вашем смартфоне есть DSP для декодирования файлов MP3, усиления басов вашей музыки, вычисления для активного шумоподавления и распознавания вашего голоса, когда вы говорите «Привет, Google!». Блоки DSP также находятся внутри беспроводных наушников для преобразования потоковых данных Bluetooth обратно в аудиосигналы и в динамиках домашнего кинотеатра для декодирования потоков данных в объемный звук. Если он обрабатывает звук, в нем почти наверняка есть DSP.

Как DSP навсегда изменит ваше прослушивание музыки

DSP важны, потому что они являются неотъемлемой частью современного аудиооборудования, от наушников до автомобильных динамиков и профессионального оборудования. Высококачественный DSP предоставит вам вычислительную мощность для высококачественных эффектов, начиная от эквалайзеров на устройстве и заканчивая распознаванием голоса, активным шумоподавлением и возможностями объемного звучания. Премиальные DSP также требуют очень мало энергии, что продлевает срок службы батареи ваших устройств для более длительного прослушивания.

Тем не менее, возможности DSP — это не то, что вы найдете во многих спецификациях. В случае с наушниками DSP связаны с возможностями чипа Bluetooth, в то время как другие устройства часто предоставляют возможности АЦП, ЦАП и управления динамиками вместе с DSP на одном чипе. Вместо того, чтобы искать спецификации обработки, возможности DSP проявляются в других возможностях продукта, таких как упомянутые выше.

AirPods Max хорошо собран и быстро подключается к любому устройству iOS.

Например, Apple AirPods Max использует DSP для постоянной настройки производительности гарнитуры для оптимизации качества звука в зависимости от того, что она считает идеальным. Кроме того, Sony 360 Reality Audio может корректировать свой сигнал, используя карту вашего уха и библиотеку машинного обучения, предназначенную для расчета того, как ваше внешнее ухо изменяет звук. Все это для того, чтобы максимально приблизить ваш звук к идеальному для вас.

Даже заядлые ботаники, такие как наши сотрудники, используют DSP-боксы вторичного рынка для корректной работы полочных динамиков, наушников и даже для калибровки систем виртуального объемного звучания, входящих в такие продукты, как Sennheiser Ambeo Soundbar. Используя блок DSP с соответствующим микрофоном, вы можете измерять выходной сигнал вашего аудиооборудования в любой среде и автоматически корректировать выходной сигнал, чтобы он звучал так, как вы хотите.

Звуковые карты PCI — вымирающий вид, но они имеют свое применение.

По сути, используя современный DSP, вам больше не нужно надеяться, что ваше звуковое оборудование будет звучать хорошо, вы можете заставить его работать в любое время, заставив электронику компенсировать недостатки на лету. Это большой отход от прошлого, поскольку раньше использование DSP-боксов было прерогативой только любителей или одержимых. Уже нет!

Чем ЦСП отличается от ЦП?

Чтобы быстро охватить основы, любой процессор построен на нескольких основных принципах. А именно: декодеры, преобразующие код в операции, сообщающие процессору, что делать, регистры и память для хранения операций и данных, а также исполнительные устройства для обработки математических операций и перемещения данных. Это то, что известно как архитектура процессора.

Используя современный DSP, вам больше не нужно надеяться, что ваше звуковое оборудование будет звучать хорошо, вы можете заставить его работать в любое время, заставив электронику компенсировать недостатки. построить исполнительный блок для выполнения одной или нескольких из широкого спектра математических операций. Это вопрос желаемого варианта использования и бюджета мощности относительно того, для чего вы будете создавать эти устройства. Просто упаковать все возможные варианты было бы чрезвычайно расточительно с точки зрения размера и энергопотребления. Обычные процессоры включают в себя исполнительные блоки для базовых операций, таких как сложение, вычитание, умножение и деление, но не ускоряют более редкие и сложные операции на аппаратном уровне.

В двух словах, DSP оптимизирован для наиболее распространенных задач, используемых в рабочих нагрузках цифровой обработки сигналов. Список включает математику с плавающей запятой, операцию по модулю, арифметику с насыщением, операции умножения-накопления (MAC) и объединенного умножения-сложения (FMA). Эти функции часто требуются в фильтрах, преобразовании Фурье, кодировании кодеков и других алгоритмах DSP. Цифровые сигнальные процессоры обычно создаются для параллельного выполнения ряда этих операций (суперскалярная архитектура) для гораздо более быстрой обработки с более низкими тактовыми частотами, чем обычный ЦП.

developer.Qualcomm Внутри смартфонов вы найдете компоненты процессора, DSP и графического процессора, расположенные рядом друг с другом, каждый из которых используется для определенных задач. DSP обрабатывает звук, например распаковывает музыку или активирует голосовой помощник.

DSP также используют высокооптимизированные системы памяти. Поскольку аудиосэмплы зависят от времени, они подаются в DSP и из него с использованием циклических буферов или буферов «первым пришел — первым вышел» (FIFO). Архитектуры памяти DSP оптимизированы для этого строго упорядоченного потока данных, в отличие от ЦП, которые используют переназначаемые блоки памяти, где конкретное расположение регистра часто менее важно. В этом смысле архитектуры DSP представляют собой упорядоченный конвейер, в то время как процессоры часто работают гораздо более неупорядоченно. Таким образом, DSP также в значительной степени зависят от прямого доступа к памяти (DMA), который перемещает данные в буферы и из них через регулярные промежутки времени без затрат времени на обработку. Вы также не найдете его очень часто используемым в процессорах общего назначения.

В целом, DSP оптимизированы в двух ключевых областях по сравнению с ЦП общего назначения. Они ускоряют стандартные математические операции DSP на аппаратном уровне и имеют специальные архитектуры памяти, предназначенные для потоков данных в реальном времени. Конечным результатом является более быстрая и эффективная обработка аудио и некоторых других типов данных.

Почему DSP важны?

Многие другие известные компании начинают пользоваться преобразующей силой правильно используемого DSP. От точного создания 3D-аудио до автоматической оптимизации музыки и включения следующего поколения аудиокодеков Bluetooth — возросший уровень развития в области DSP изменит то, как мы слушаем, очень резко.

Хотя это может быть медленным, и большинству людей потребуется пара лет, чтобы увидеть эти улучшения, никогда не было более захватывающего времени, чтобы увидеть, куда пойдет персональный звук.

Преодолеть барьер 3-V DSP означает нарушить правила

Наручное радио Дика Трейси всегда было целью потребительских товаров. На самом деле полупроводниковая промышленность уже поставила радиоприемник Трейси, а также добавила к нему часы, будильник, календарь и пейджер. Проблемы, возникающие при создании этого и множества других крошечных потребительских товаров, связаны с компромиссами в вычислительной мощности, хранении информации, размере, весе и функциях. Все эти усилия направлены на достижение конечной цели — оптимального времени автономной работы.

В настоящее время обычные потребительские устройства с батарейным питанием работают от двух батареек AA или AAA. Большой скачок вперед произойдет, когда эти устройства больше не будут нуждаться в двух батареях, а смогут использовать одну ячейку для обеспечения приемлемого времени работы. Для этого цифровые сигнальные процессоры, энергонезависимая память, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, устройства управления питанием, ЖК-дисплеи и устройства со смешанными сигналами в конечном итоге должны работать при более низких напряжениях.

Чтобы выбрать подходящую аккумуляторную систему, важно понимать окружающую среду, требования и условия эксплуатации, в которых система будет использоваться: одноразовая (первичная) или перезаряжаемая. Подумайте, как часто будет использоваться устройство, будет ли время для его зарядки и не будет ли устройство простаивать в течение длительного времени. Все эти вопросы влияют на выбор аккумуляторной технологии. Аккумуляторы имеют преимущество в длительном сроке службы, но они дороже. Есть также неудобство перезарядки и тот факт, что они имеют меньшую емкость, чем щелочные батареи того же размера. То есть в данном приложении полностью заряженная батарея не будет работать так же долго, как щелочная батарея того же размера.

Поэтому в большинстве портативных потребительских товаров используются щелочные батареи типа AA или AAA. Они предлагают лучший компромисс с точки зрения высокой доступности, низкой стоимости и большой емкости хранения энергии. В отличие от никель-кадмиевых батарей, которые довольно быстро разряжаются, щелочные батареи сохраняют свою энергию, если они не используются в течение длительного времени. Широкая доступность щелочных батарей чрезвычайно удобна для пользователей, но их цилиндрическая форма ограничивает размер портативного устройства, в котором они могут использоваться. В таблице 1 представлено большинство распространенных сегодня аккумуляторных технологий.

Ряд компромиссов
Продукты с батарейным питанием, в которых все компоненты работают при напряжении 1 В постоянного тока или ниже, еще не реализованы. На различных технических конференциях и в публикациях, таких как ISSCC, JSSC и Симпозиум СБИС, были представлены несколько современных устройств со смешанным сигналом 1 В постоянного тока, DSP и SRAM. Но ни один из них еще не запущен в производство. Пройдет 2000 год, прежде чем будут предложены первые DSP с напряжением 1 В постоянного тока, а позже — низковольтные прецизионные АЦП. Однако в настоящее время доступны устройства для разработки маломощной системы с напряжением 1,8 В постоянного тока 9.0078 (Таблица 2) .

Разработчики, создающие продукты сегодня, сталкиваются с необходимостью разумного сочетания компонентов с различными требованиями к напряжению для достижения наилучшего сочетания формы, функциональности и энергопотребления. Ключом к прохождению по этому лабиринту является получение как можно большего количества информации о технологиях, которые будут использоваться.

Большинство современных потребительских товаров с батарейным питанием работают при напряжении 3 В. Этот «3-вольтовый барьер» был преодолен некоторыми компонентами (в первую очередь DSP и SRAM). Но оно остается стандартом, поскольку большинство микроконтроллеров, твердотельных накопителей и аналоговых схем работают на этом напряжении. Некоторые из самых популярных продуктов на потребительском рынке, такие как полупроводниковые аудиоплееры и пейджеры, работают от одной ячейки AA. Но это не настоящие системы 1-V. Они используют повышающие регуляторы для увеличения напряжения для некоторых своих компонентов.

Например, в твердотельном аудиоплеере самыми большими препятствиями для преодоления 3-вольтового барьера являются носитель информации (CompactFlash, MultiMedia, SmartMedia или MediaStick) и ЖК-дисплей. Оба работают при напряжении 3 В. Другие приложения, такие как медицинские датчики и пейджеры, могут снизить общее напряжение до 1,8 В в зависимости от требований к АЦП, памяти и отображению. Повышение напряжения увеличивает сложность схемы за счет добавления регуляторов. Из-за неэффективности преобразования эти регуляторы увеличивают рассеиваемую мощность.

Двухэлементные аккумуляторные системы
Двухэлементная аккумуляторная система обеспечивает диапазон напряжения от 1,8 до 3,0 В. Каждая батарея обеспечивает напряжение от 1,5 В в новом состоянии до 0,9 В в конце срока службы. Если система рассчитана на работу при напряжении 1,8 В, разработчик может отказаться от регулирования. Это требует компромисса в отношении рассеиваемой мощности, поскольку система работает при более высоких напряжениях. Другой вариант — настроить систему так, чтобы она постоянно работала при напряжении 1,8 В. Этот подход является наиболее распространенным, учитывая, что аналоговым компонентам требуется чистое, неизменное напряжение питания для достижения их номинальной производительности.

Цифровые устройства в этом отношении менее сложны, чем их аналоговые аналоги. Цифровые части могут выдерживать переменное напряжение питания за счет более высокого потребления тока при более высоких напряжениях. Напротив, аналоговые компоненты обычно имеют внутреннюю регулировку для поддержания потребления тока питания при колебаниях напряжения питания. Или, в случае регуляторов, их потребляемый ток увеличивается по мере снижения рабочего напряжения.

Регулятор напряжения с малым падением напряжения (LDO) обычно используется для питания аналоговых схем, которым требуется чистое и стабильное питание. DSP и другие цифровые устройства не так чувствительны к стабильности и качеству напряжения и не требуют регулятора LDO. Но можно использовать понижающий регулятор для поддержания постоянного напряжения 1,8 В от переменного питания от батареи. Потому что они более энергоэффективны, чем регулятор LDO (90% против 75%), эти регуляторы предпочтительнее для цифровых схем.

В большинстве случаев рабочее напряжение определяется точностью, требуемой от АЦП. Сенсорные системы с 8- или 10-битным разрешением и более низкой частотой дискретизации, например, в устройствах медицинского мониторинга, могут использовать преобразователи на 1,8 В. Но если требуются преобразователи звукового качества, доступные сегодня компоненты повышают минимальное напряжение до 2,5 В.

В одноэлементной системе для достижения напряжения 1,8 или 3 В, необходимого для многих компонентов, необходим повышающий стабилизатор. Это удвоение, а часто и утроение напряжения увеличивает количество деталей и рассеиваемую мощность. И это обычно требует дополнительной регулировки для аналоговых компонентов.

Однако постепенное снижение рассеиваемой мощности и количества деталей может быть достигнуто, если цифровые компоненты 0,9 В получают свое рабочее напряжение непосредственно от батареи в диапазоне от 0,9 до 1,5 В. Существует проблема более высокого энергопотребления цифровых компонентов, хотя из-за диапазона батареи от начала до конца жизни. Сравните это дополнительное энергопотребление с энергосбережением, обеспечиваемым за счет исключения дополнительного регулятора.

Поскольку кривые разряда щелочных батарей нелинейны, система с одним элементом будет разряжаться в два раза быстрее, чем система с двумя элементами. Для типичного приложения система, использующая одну ячейку AAA, будет обеспечивать только около 35% времени работы системы с двумя ячейками AAA. Таким образом, срок службы батареи с одной ячейкой может стать существенным ограничивающим фактором, в зависимости от приложения.

Наиболее распространенным методом снижения энергопотребления портативных устройств является разделение системы на разделы, которое позволяет отключать питание отдельных компонентов и функциональных блоков, когда они не используются. Целые микросхемы или отдельные функции могут включаться и выключаться под управлением программного обеспечения.

DSP, ожидающий загрузки данных, может отключаться по частям. Например, процессор может быть выключен, в то время как последовательные порты продолжают собирать данные. Усилители наушников, клавиатура и другие аналоговые схемы также могут быть переведены в режим ожидания, когда они не используются. В системе медицинского мониторинга многие функции могут быть отключены или переведены в режим ожидания на различных этапах сбора и обработки образцов, а также хранения или передачи данных.

Как и любое полупроводниковое устройство, аккумуляторная технология во многом определяет производительность потребительских товаров. Как упоминалось ранее, подавляющее большинство продуктов с батарейным питанием используют щелочные элементы типа AA или AAA. Недавние достижения компаний Duracell и Energizer позволили увеличить срок службы щелочных батарей на целых 30% при использовании в некоторых продуктах.

В области аккумуляторов никель-кадмиевые батареи постепенно заменяются никель-металлогидридными (NiMH) и литий-ионными технологиями. Эти новые участники имеют большую плотность мощности и легче. Кроме того, они устраняют две наиболее нежелательные характеристики NiCd: эффект «памяти» и использование тяжелых металлов.

Новейшая технология аккумуляторов, появившаяся на рынке, — это литий-полимерные аккумуляторы. Ее отстаивает компания Matsushita (среди прочих), которая представила свои первые коммерческие продукты в январе 1999 года. Эти батареи очень тонкие (толщина батареи Matsushita составляет 3,6 мм) и весят около 15 г. Они имеют емкость 500 мАч и минимальный срок службы 500 циклов зарядки.

Что еще более важно, литий-полимерный аккумулятор работает от напряжения 3,7 В, что может несколько изменить сценарий проектирования портативных устройств. Вместо того, чтобы работать от источника более низкого напряжения, продукты могут быть изготовлены для работы от 3 В. Напряжения можно понизить, используя высокоэффективные стабилизаторы для питания цифровых схем. Но щелочная батарея AA по-прежнему имеет значительное преимущество в стоимости по сравнению с перезаряжаемыми в большинстве приложений, и будущее литий-полимерной технологии зависит от ее принятия основными производителями.

Чтобы проиллюстрировать связанные с этим проблемы, была создана платформа разработки 1,8 В на основе семейства DSP TMS320C54x с фиксированной точкой от TI. Эта платформа может использоваться в качестве универсального инструмента для множества приложений. Проблемы и решения, возникающие при его разработке, аналогичны тем, которые, вероятно, можно найти и в других продуктах с низким энергопотреблением.

С самого начала целью было предоставить гибкую платформу для работы с низким энергопотреблением. Но из-за доступности аналоговых компонентов некоторые целевые приложения не позволяли использовать чистое напряжение 1,8 В постоянного тока. Чтобы приспособить различные источники напряжения, необходимые для этих приложений, система была разработана таким образом, чтобы пользователь мог выбрать до трех источников напряжения: 1,8, 2,5 и 3 В.

Эта система достаточно гибкая, чтобы обеспечить работу либо с одним источником питания, либо с комбинацией двух источников питания. Например, он может работать с одним источником питания 1,8 В или с двумя источниками питания 1,8 и 3,3 В. Перечень деталей с характеристиками напряжения и тока показан в таблице 3, а блок-схема — на рисунке 1. Для поддержки этих режимов с несколькими напряжениями выбранный преобразователь постоянного тока может обеспечить повышение напряжения на 1,8 или 3 В путем простое изменение внешней сети резисторов. Сеть регулятора LDO (включенная в ту же часть, что и преобразователь постоянного тока) аналогично спроектирована для обеспечения регулируемого выходного напряжения 1,8 или 2,5 В посредством модификации резисторной сети.

Для обеспечения гибкости и простоты интерфейса с кнопками, дочерними платами и Compact Flash был выбран CPLD с нулевым энергопотреблением. Этот CPLD рассеивает очень мало энергии во время работы и позволяет реконфигурировать систему для многих приложений без модификации платы. Поскольку целью было создание универсальной платформы разработки, дополнительные расходы и небольшое дополнительное энергопотребление CPLD были отличным компромиссом, особенно по сравнению с обширными модификациями платы или дополнительной мощностью, потребляемой FPGA 9.0078 (рис. 2) . Для специализированного приложения стоимость и энергопотребление системы могут быть оптимизированы за счет использования маломощной дискретной связующей логики (вентилей NAND, триггеров и т. д.), которая в настоящее время работает от 0,9 до 3 В.

Подумайте, как будет работать платформа разработки. быть сконфигурирован как для твердотельных аудиосистем, так и для систем медицинского мониторинга. Основными требованиями к твердотельному звуку являются необходимость в кодеке качества звука, стандартном носителе на основе флэш-памяти и ЖК-дисплее. Для твердотельных носителей и ЖК-дисплеев требуется 3 В, а для аудиокодека требуется от 2,5 до 3 В. Другие компоненты, необходимые для этого приложения, доступны при более низких напряжениях. Но для упрощения логики интерфейса для всех входов/выходов используется питание 3 В.

Например, хотя загрузочная флэш-память доступна при напряжении 1,8 В, выбрано устройство с напряжением 3 В. Поскольку он использует параллельную шину совместно с твердотельными носителями, это упрощает логику интерфейса. Усилитель для наушников работает от 1,8 до 3 В. Но опять же, его напряжение питания установлено на 3 В, потому что он напрямую взаимодействует с данными, генерируемыми 3-В кодеком. Ядро DSP работает при напряжении 1,8 В, а его входы/выходы настроены на 3 В.

Удивительно, но выбор регуляторов был довольно ограничен из-за низкой доступности компонентов, обеспечивающих преобразование постоянного тока в постоянный и регулирование в диапазоне 200–300 В. -мА диапазон. Тем не менее, многие устройства были доступны для работы ниже 100 мА и от 500 мА до 1 А.

В отличие от этого, устройство медицинского мониторинга требует гораздо более низких частот дискретизации и точного твердотельного звука. Для поддержки этого приложения в систему добавляется дочерняя плата, содержащая малошумящие предусилители, низковольтный ЖК-дисплей и 8-битные кодеки 1,8 В для выборки данных с датчиков. Поскольку она обеспечивает достаточную емкость, в качестве носителя используется 1,8-вольтовая версия загрузочной флэш-памяти. Кодек материнской платы, усилитель для наушников и CPLD не заполняются. Это позволяет всей системе работать от одного источника питания 1,8 В.

Скоро.