Emulare una batteria di un dispositivo IoT non è semplice | DigiKey

Alzi la mano chi ha provato almeno una volta a emulare una batteria in un dispositivo IoT. Creare una configurazione realistica quanto quella del prodotto finale, con la batteria vicina ai componenti elettronici, è una vera sfida. Oggi vogliamo offrirvi alcuni consigli per ottenere buoni risultati.

Ecco un riepilogo rapido per chi ha poco tempo:

• Maggiore è la distanza, superiore è la resistenza: non dimenticate che la batteria del prodotto è molto vicina ai componenti elettronici, mentre la vostra configurazione di test probabilmente include lunghi cavi che riducono la vicinanza.
• Una resistenza elevata può dimostrarsi fatale, ad esempio quando un passaggio improvviso di corrente crea una caduta di tensione nei cavi, causando un reset del sistema.
• Rimedio n.1 per la resistenza: riducete al minimo la resistenza scegliendo cavi corti e spessi.
• Rimedio n.2 per la resistenza: mettete a disposizione una fonte di energia di riserva collegando uno o più condensatori direttamente all'ingresso della tensione nel dispositivo.
• Ricordate di scegliere con cura il condensatore più adatto (ESR ottimale + dimensione del condensatore).
• Controllate i dati: il rimedio n.2 influirà sulle misurazioni.

Siete carichi e volete saperne di più? Bene, andiamo avanti.

Maggiore è la distanza, superiore è la resistenza

Nei prodotti reali, la batteria si trova (quasi) sempre vicino ai componenti elettronici. Non è un caso: cavi corti corrispondono a una bassa resistenza nel percorso della corrente tra la batteria e il carico. È quello che vogliamo, giusto?

Quando simuliamo una batteria, abbiamo spesso cavi lunghi che creano una resistenza indesiderata. È importante? Eccome! Una corrente improvvisa crea una caduta di tensione a causa della resistenza nei cavi. Se la caduta è eccessiva, può impedire il funzionamento corretto dei componenti elettronici.

Quando si verifica una corrente improvvisa?

Quando un dispositivo rimane scollegato per un po' di tempo dalla fonte di alimentazione si verifica lo scenario peggiore: la situazione può rivelarsi fatale perché i condensatori sulla scheda sono vuoti e devono essere nuovamente caricati di energia.

Durante i primi nanosecondi di un passaggio improvviso di corrente, tutti i condensatori di disaccoppiamento, prima di essere caricati, vanno in cortocircuito: proprio tutti, da quelli da 100 nF ai più grandi. I condensatori causano una corrente di inserzione enorme che crea una temporanea caduta di tensione in tutti i componenti resistivi che si trovano sul percorso: cavi, connettori, tracce sulla PCB.

Ricordatevi di controllare i resistori sul percorso della corrente

In che modo si controllano i resistori? Alcuni dispositivi utilizzano un indicatore che misura la corrente su un resistore collegato in serie con la batteria. Le batterie Li-Po e Li-Io dovrebbero sempre avere un circuito di protezione della batteria. Se la vostra configurazione include questo circuito, possiede anche una resistenza nel percorso della corrente.E non dimenticate il percorso di ritorno della corrente: tutta la resistenza presente sul percorso è importante, inclusi i piani di massa.

Due semplici rimedi per la resistenza

Per evitare le problematiche appena descritte, vi consigliamo di adottare le seguenti misure di sicurezza quando emulate una batteria in un dispositivo IoT:

1. Scegliete cavi corti e spessi per ridurre al minimo la resistenza nei cavi che collegano l'emulatore della batteria al dispositivo (figura 1). Date un'occhiata a questa utile tabella dei diametri dei conduttori.
2. Mettete a disposizione una fonte di energia di riserva collegando uno o più condensatori direttamente all'ingresso di alimentazione del dispositivo.

Figura 1: Rimedio n.1 per la resistenza: riducete al minimo la resistenza scegliendo cavi corti e spessi. (Immagine per gentile concessione di Qoitech)

Collegare dei condensatori significa creare una carica di riserva garantendo i requisiti di carica istantanea dei circuiti a livello locale. In altre parole, la carica non deve passare attraverso la resistenza dei conduttori di alimentazione.

Vediamo un esempio: un cellulare consuma facilmente 4 A in un breve impulso durante l'accensione. In questo caso, è importante creare un'elevata riserva di energia a bassa resistenza vicino al connettore della batteria (figura 2).

Figura 2: Ricordate di creare un'elevata riserva di energia a bassa resistenza vicino al connettore della batteria. (Immagine per gentile concessione di Qoitech)

Come scegliere i condensatori giusti

Prima di terminare, vorremmo spendere due parole sui condensatori giusti per il vostro dispositivo. Chiedetevi sempre:

1. Qual è l'ESR (resistenza equivalente in serie) ottimale?
   Assieme al numero di microfarad, la corretta ESR del condensatore è cruciale. Per applicazioni con brevi burst di corrente elevata, l'ESR deve essere bassa. Per abbassare l'ESR è possibile utilizzare diversi condensatori collegati in parallelo. Questa tabella mostra i valori tipici dei condensatori ESR.
2. Qual è la dimensione ottimale di un condensatore?
   A essere onesti, spesso si procede per tentativi. Scegliete un condensatore che permetta al dispositivo di accendersi correttamente, ma non troppo grande, perché il condensatore fungerà da filtro passa-basso, cambiando il tempo di salita degli impulsi di corrente, con effetti sulle misurazioni. Continuate a leggere per capire meglio. Il condensatore deve inoltre avere una dispersione minima. La capacità della riserva dipende dall'energia necessaria (corrente di picco e tempo) e dalla caduta di tensione accettabile per evitare che il sistema si resetti.

Alcune parole sulle misurazioni

Un condensatore inserito all'ingresso della tensione nel dispositivo influirà sulle misurazioni perché deve assorbire energia, e per fare questo ci mette tempo. Se adottate il rimedio n.2 per la resistenza, il tempo di salita e discesa degli impulsi di corrente è minore. I risultati sono analoghi a quelli ottenibili con un filtro passa-basso collegato in serie tra l'apparecchiatura di misurazione della batteria e il dispositivo. Non avrete problemi se userete condensatori adatti: la limitata corrente di dispersione del condensatore sarà l'unico errore di misurazione.

Volete maggiori informazioni sull'alimentazione dei dispositivi IoT?

Leggete questo articolo che spiega come ottimizzare le prestazioni della batteria con un sistema di gestione dell'alimentazione efficiente. E, se non l'avete ancora fatto, date un'occhiata a Otii Battery Toolbox di Qoitech. Questo strumento trasforma Otii Standard da un alimentatore c.c. in un profiler ed emulatore di batteria completo, per creare una fonte di alimentazione realistica per progetti reali.