Kannettavan laitteen akusta saa eniten irti, kun tuntee akkutekniikat, digitaalisen tehonhallinnan periaatteet sekä matalan tehonkulutuksen mahdollistavat analogiatekniikat.

Artikkelin kirjoittaja Kevin Tretter vastaa Mircochip Technologyllä tuotteiden markkinoinnista. Hän on tehnyt koko vuonna 2004 alkaneen uransa Microchipin palveluksessa. Kevinillä on elektroniikkasuunnittelijan tutkinto Rose-Hulman Institute of Technologystä sekä liiketalouden ja markkinoinnin tutkinto St. Edward´s Universitystä.

Maksimikäyttöiän saaminen akusta edellyttää kolmen avaintekijän ymmärtämistä: akkuteknologiat, digitaalinen tehonhallinta selä matalan tehonkulutuksen analogiatekniikat. Useat suunnittelijat tuntevat erilaisten akkujen kemioiden vahvuudet ja heikkoudet sekä digitaalisen tehonhallinnan perusteet, he eivät ehkä niin hyvin tunne pienitehoisen analogiatekniikan roolia akun käyttöiän pidentämisessä.

Kannettavien laitteisen suunnittelijoiden yksi avainpäätöksiä on akkutekniikan valinta. Neljä yleisintä tekniikka ovat alkali-, nikkelikadmiun- (niCd), nikkelimetallihydridi- (NiMH) ja litiumionialut (Li-Ion). Niillä kaikilla on etunsa ja puutteensa.

Tyypillisesti täyteen ladattu alkaliparisto tuottaa noin 1,5 voltin jännitteen. Tämä jännite pienenee kun aun energiaa käytetään niin, että noin 90 prosentin käytön jälkeen jännite on pudonnut noin 0,9 volttiin. Suhteellisen suuren kapasiteetin ja korkean sisäisen resistanssin takia alkaliparistot ovat varsin tehottomia paljon virtaa syöville sovelluksille, kuten kauko-ohjattaville autoille, kameran salamalle ja sähkötyökaluille.

Näihin sovelluksiin NiCd-akut ovat kestävä ja edullinen vaihtoehto. Niiden 1,2 voltin nimellisjännite putoaa noin 0,9 volttiin akun käyttöiän lähestyessä loppuaan. NiCd-akkujen puutteena on suhteellisen alhainen energiatiheys ja se, että ne sisältävät myrkyllisiä metalleja. Lisäksi niissä tarvitaan säännöllistä varauksen täydellistä purkua, jotta kennon pintoihin ei muodostu suuria kiteitä, jotka vaikuttavan sekä akun elinikään että sen suorituskykyyn.

Sen sijaan NiMH-alut ovat ympäristöystävällisiä ja niiden energiatiheys on noin 40 prosenttia NiCd-akkuja suurempi. Nimellisjännite on noin 1,25 volttia ja se putoaa alle yhteen volttiin akun eliniän lähestyessä loppuaan. NiMH-akkujen huonona puolena on itsepurkautumisen suuri aste ja NiCd-akkuihin verrattuna heikko kestävyys raskaiden kuormien ja äärimmäisten lämpötilojen puristuksessa.

Isolle osalle kulutuselektroniikkaa litiumioniakut ovat hallitseva ratkaisu. Täysin ladatun litiumionikennon jännite on noin 3,6 volttia ja se pienenee noin 2,7 volttiin varauksen loputtua kokonaan. Li-Ion-akkujen etuja ovat keveys, korkeammat kennojännitteet ja - polymeeriversiona - kyky muotoilla akkua. Muihin etuihin kuuluu energiatiheyden jatkuva kasvu - tällä hetkellä noin kaksinkertainen standardiin nikkelikadmumakkuun verrattuna - ja kustannusten aleneminen. Suurin haitta on räjähdysriski ylilatautumisen yhteydessä. Tämä tarkoittaa, että jotkut valmistajat päätyvät nikkelimetallihydridiakkuihin erityisesti sovelluksissa, joissa koko ja paino eivät ole niin keskeisiä ominaisuuksia.

DC/DC-muuntimet

DC/DC-muuntimien arkkitehtuurien ymmärtäminen on keskeistä, kun halutaan optimoida suunnittelun suorituskyky. Tyypillisesti valinta tehdä lineaariregulaattorien, hakkuriregulaattorien ja varauspumppujen välillä.

Vaikka lineaariregulaattoreita on useanlaisia, yleisin akkukäyttöisissä laitteissa käytetty on LDO-regulaattori (low dropout regulator). Näissä käytetään PNP-transistoria halutun lähtöjännitteen säätämiseen.

Sen sijaan hakkuriregulaattori käyttää diodia, induktoria ja kytkintä siirtämään energiaa tulosta ja tuottamaan halutun lähdön, joka on konfiguroitu joko buck-, boost- tai buck/boost-topologiana. Buck-regulaattori tuottaa reguloidun lähtöjännitteen, joka on alhaisempi kyuin tulojännite. Periaate vastaa LDO-regulaattori. Boost-kytkentäregulaattori tuottaa tuloa korkeamman lähtöjännitteen, kun taas buck/boost-regulaattori tuottaa reguloidun lähdön eri tulojännitteillä, jotka ovat korkeampia tai matalampia kuin lähtöjännite.

Kolmas regulaattorityyppi eli varauspumppu (charge pump) hyödyntää kondensaattoria energian tallennukseen. Kondensaattori liitetään tulojännitteeseen kytkimillä. Piiritopologiasta riippuu, voiko varauspumppu kaksinkertaistaa, kompinkertaistaa, kääntää ja jopa luoda sattumanvaraisesti lähtöjännitteen. Lataus- ja purkukondensaattorien käyttö energiansiirtoon tarkoittaa, että varauspumppu tuottaa suhteellisen alhaisia lähtövirtoja, yleensä muutaman sadan milliampeerin tasoisia.

Taulukko 1 kuvaa eri DC/DC-muunnintopologioiden etuja ja haittoja. Parhaan tekniikan valinta riippuu jokaisen sovelluksen parametreistä. Sovelluksissa joissa pitkä akkukesto on ensisijainen vaatinus, tehokas hakkuritehonlähde voi olla paras valinta. Jos sovelluksessa on paljon sähköistä kohinaa, paras ratkaisu olisi tyypillisesti lineaariregulaattori. Jokaisessa sovelluksessa täytyy kuitenkin keskittyä tehonhallinnan piiristöön, jotta järjestelmän suorituskykytavoitteet saavutetaan.

Taulukko 1. DC/DC-topologian valinnan vaihtoehdot.

DC-DC-muunnos tarjoaa joukon tekniikoita, joilla akun toiminta-aikaa voidaan pidentää. Allaolevassa kuvassa näkyy esimerkiksi input- ja output-kondensaattorin sijoittelu suhteessa DC/DC-muuntimeen. Tässä konfiguraatiossa kytkinregulaattori, jota käytetään tulokytkimen avaamiseen ja sulkemiseen voi johtaa virtapiikkiin input-liitännässä, joka voidaan minimoida käyttämällä suurta input-kondensaattoria varauspuskurina. Tämä voi vaikuttaa akun toiminta-aikaan, koska akun kemiasta riippuen sisäinen resistanssi voi kasvaa, mikä voi aiheuttaa tuntuvan jännitepudotuksen koko kennostossa. Akun ja kytkimen väliin sijoitettu suurempi kondensaattori pienentää virtoja ja niistä seuraavaa jännitepudotusta koko akussa. Minimoimalla nämä jännitteenlaskut voidaan akun toiminta-aikaa pidentää ennen kuin kennon jännite tippuu minimiin.

Kuva 2: Input- ja output-kondensaattorien sijoittelu kytkinregulaattorissa.

Pienitehoisissa sovelluksissa, joissa laite on pitkiä aikoja valmius- tai sleep-tilassa, ei ehkä ole tarpeen pitää regulaattoria päällä koko aikaa. Tällöin voi olla paljon energiatehokkaampaa käyttää suurta output-kondensaattoria syöttämään kuorman vaatimaa alhaista virtaa. Regulaattorin kytkeminen päälle ja pois vahvistaa kondensaattorin varausta, kun sitä tarvitaan.

Digitaalinen tehonhallinta

Dynaaminen jännitteensäätö tai -skaalaaminen on sekin yleinen akun toiminta-aikaa maksimoiva tekniikka. Kun operoidaan alhaisella jännitteellä digitaalinen kuorma, kuten esimerkiksi mikro-ohjain, vaatii pienemmän virran ja kuluttaa siksi vähemmän tehoa. Haittapuolena on kuitenkin se, että mikro-ohjaimen ajaminen alhaisella jännitteellä voi rajoittaa sen toimintanopeutta ja suorituskykyä. Dynaamisen jännitteensäädön avulla mikro-ohjain voi yhdistää alhaisen jännitteen ja tehonkulutuken valmius- tai sleep-tilassa, ja kiihdyttää korkeampaan jännitteeseen prosessoidessaan ja siirtäessään informaatiota. Tätä tekniikkaa käytetään tietojenkäsitelyssä laajalti ja monissa muissakin akkukäyttöisissä laitteissa, joissa mikro-ohjain toimii erilaisissa moodeissa.

Toiminta-ajan ja valmius- tai sleep-tilan suhde eri sovelluksissa vaikuttaa tietysti myös akun toiminta-aikaan. Jotkut sovellukset, kuten vaikkapa hiilidioksiditunnistimet, joutuvat toimimaan kaiken aikaa, toiset voivat pysytellä valmius- tai sleep-tilassa pitkään ennen kuin niitä tarvitaan. Esimerkkejä ajoittain toimivista sovelluksista ovat älykkäät vesimittarit, kauksäätimet ja savuvaroittimet.

Analoginen tehonhallinta

Verkossa on valtavat määrät tietoa siitä, miten suunnittelijat voivat ymmärtää ja hallita digitaalista tehoa käyttämällä mikro-ohjainten tarjoamia erilaisia toimintamoodeja ja myös kytkemällä eri oheislaitteita päälle ja pois tarpeen mukaan. Mikro-ohjaimen ajaminen jatkuvasti aktiivitilassa tai sen nukuttaminen ja taas herättäminen toimintaan, on myös hyvin dokumentoitu tekniikka.

Kun halutaan hallita analogiakomponentein tehobudjettia, vaihtoehdot eivät ehkä ole yhtä selvät.

Vaikka on edelleen tärkeää käyttää analogiakomponentteja alhaisimmalla aktiivivirralla järjestelmissä jotka ovat päällä kaiken aikaa, muissa sovelluksissa pitää harkita myös asettumisaikaa suhteessa virrankulutukseen. Voi olla, että suurempivirtainen, nopeampi laite tuottaa paremman energiatehokkuuden pitkällä aikavälillä kuin alhaisemman virran vaihtoehti, jossa vasteaika on hitaampi.

Oikea akkutekniikan valitseminen ja digitaaliset tehonhallinnan tekniikat ovat tuttuja akun toiminta-ajan pidennystä hakeville suunnittelijoille. Matalatehoisten analogiatekniikoiden toteutus ei ole yhtä tuttua, mutta sen rooli voi olla merkittävä akun toiminta-ajan pidentämisessä ja järjestelmän optimaalisen suorituskyvyn varmistamisessa.