Los avances en las tecnologías de procesamiento de semiconductores han hecho posible la existencia de dispositivos de alto rendimiento más pequeños a precios muy competitivos. Estos factores han abierto más y más mercados a los productos portátiles pequeños cargados de funcionalidades en una amplia gama de mercados de consumo y aplicaciones profesionales como aparatos médicos e industriales.

Las reglas del diseño de semiconductores más pequeños también han generado tensiones operativas más bajas, lo que puede ayudar a simplificar el diseño de los circuitos que funcionan con pilas y permitir que una sola pila alcalina (1,5 V) o de litio (3,6 V) soporte una larga vida operativa. Las mejoras en los circuitos integrados de gestión de la energía (como los modos inactivos y de espera de ahorro energético provistos por dispositivos como microcontroladores) también han hecho posible que los nuevos diseños alcancen una vida operativa más larga.

 

Sin embargo, las expectativas de los usuarios finales generalmente van en contra de los objetivos de los diseñadores de aumentar el tiempo entre la recarga de las pilas o su reemplazo. Un elemento más en la lista de exigencias impuestas a las pilas de muchos de los aparatos portátiles en la actualidad es la tendencia a usar pantallas grandes a color con más funcionalidades que suponen una gran carga para el procesador (como los controles táctiles múltiples). Asimismo, continuamente se exige añadir funcionalidades y aumentar las capacidades de los productos, desde pequeños sensores industriales hasta teléfonos inteligentes que ofrecen funcionalidades de valor añadido como almacenamiento y reproducción de medios, Internet móvil y cámaras digitales tanto fotográficas como de vídeo.

Estos factores tienen consecuencias tanto en la capacidad requerida de las pilas como en su habilidad para alimentar corrientes de alta descarga, necesaria en aplicaciones tales como aparatos de medios digitales. Generalmente, los diseñadores deben ofrecer funcionalidades adicionales en dimensiones iguales o menores que la generación de productos anterior. Esto les impide utilizar simplemente una pila más grande con capacidad adicional.

Selección de las pilas
Los principales tipos de pilas utilizados en equipos portátiles suelen ser pilas de botón de litio-manganeso, como la CR2032 de 3 V (diámetro de 20 mm x 3,2 mm); las de tipo 1,5 V como la LR44 (diámetro de 11,6 mm x 5,4 mm); o las pilas alcalinas o de litio en tamaños estándares ampliamente conocidos como AA (51 mm x diámetro de 14 mm) o AAA (44,5 mm x diámetro de 10,5 mm).
Las características de la pila, como densidad energética, descarga de corriente y coste, están definidas por su composición química. En términos generales, las de litio-manganeso no pueden soportar descarga de corriente alta pero ofrecen una capacidad energética relativamente alta (mAh) en una pila de botón pequeña y delgada. La corriente de autodescarga puede ser tan poca como 250 nA.

Las pilas alcalinas AA o AAA pueden ofrecer una mayor capacidad y soportan una descarga de corriente más alta, pero su tamaño es mucho mayor. Las pilas primarias de litio no recargables también están disponibles en tamaños AA o AAA, ofreciendo una capacidad energética comparable con una descarga de corriente más alta. Además, una pila de litio puede ser hasta un 30% más liviana que su equivalente alcalina.
Las pilas de botón o las pilas AA/AAA generalmente se utilizan en diseños en los que la pila será reemplazada por el usuario una vez se descargue. Algunos tipos de equipos, como los aparatos que se instalan y no necesitan mantenimiento por varios años, pueden ser desechados una vez se ha descargado la pila. Las pilas con autodescarga baja, como las pilas de litio, son las preferidas para aplicaciones de larga vida útil o selladas de por vida, en particular en equipos de emergencia como detectores de humo.

Las pilas recargables de níquel-hidruro metálico (NiMH) AA o AAA pueden ofrecer una capacidad mAh comparable a la de las pilas alcalinas, y son adecuadas para las aplicaciones de alta descarga.  Pueden resistir cientos de ciclos de recarga, pero su autorrecarga es relativamente alta, por lo que no pueden funcionar por largos periodos sin mantenimiento o recarga. El Cuadro I resume los méritos de las populares pilas de litio, alcalinas y NIMH.
En aplicaciones en las que es necesario cumplir con dimensiones particularmente pequeñas o delgadas y en aquellas que el tamaño del mercado lo permite, una batería de ión de litio diseñada a medida puede ofrecer una alta densidad energética con alta capacidad de descarga y baja autodescarga.

Estructura energética
Si se elige una pila de litio como una CR2032, el microcontrolador de la aplicación debe funcionar generalmente a menos de 1 µA en los modos inactivos para maximizar la vida útil de la pila. Los dispositivos de baja tensión, como los microcontroladores embebidos, pueden ser alimentados por una CR2032 cuando la tensión de la pila disminuye de 3,0 V a 2,5 V. Sin embargo, así no se aprovecha al máximo la modesta capacidad energética de la pila. Un convertidor elevador puede usar una mayor proporción de la energía de la pila, aumentando la tensión para mantener la tensión de alimentación del circuito integrado por encima del nivel requerido a medida que se descarga la pila.

Un ejemplo de tal dispositivo es el regulador elevador síncrono MCP1624 de Microchip, diseñado para generar la tensión de alimentación necesaria para cualquier microcontrolador PIC de Microchip a partir de una tensión de la pila entre 0,65 V y 1,8 V. Esto permite alimentar cualquier microcontrolador PIC usando una sola pila de 1,5 V. El MCP1624 eleva la tensión de la pila hasta 2,0 V y 5,5 V para hacer funcionar el microcontrolador. Es necesaria una tensión inicial de 0,65 V, pero el regulador puede mantener su funcionamiento aún si la tensión de la pila disminuye hasta 0,35 V. El MCP1624 tiene un modo de apagado en el que la corriente extraída se reduce a menos de 19 µA. Esto ayuda a reducir la carga de la pila cuando la aplicación está en modo inactivo o de espera.

Gestión de la energía
Si la pila satisface la descarga de corriente máxima de la aplicación, la gestión de la energía y la selección cuidadosa de dispositivos de baja potencia, como el microcontrolador principal, pueden permitir a los diseñadores utilizar la pila más pequeña para alcanzar el objetivo de vida útil operativa. La vida de la pila la determina la corriente promedio extraída durante todo el periodo operativo. En cuanto al componente principal, como el microcontrolador del sistema, la corriente promedio es un compuesto de las corrientes extraídas en los modos de ahorro energético e inactivos. Por consiguiente, el tiempo en cada modo tiene un efecto importante en la vida útil de la pila. Por eso, además de seleccionar los dispositivos con valores bajos de corriente en los modos inactivos y de espera, los diseñadores deben aprovechar al máximo los modos de baja potencia del dispositivo.

Varios fabricantes están creando microcontroladores que funcionan bien con las pilas. Estos no sólo consumen corrientes extremadamente bajas en los modos activos y de espera, sino que con frecuencia ofrecen otros modos de espera en los que sólo ciertas funcionalidades siguen operando. El microcontrolador puede reiniciar su funcionamiento más rápidamente desde estos modos que desde un modo de espera completo, ofreciendo oportunidades adicionales de ahorro energético mientras que la aplicación está en funcionamiento. Otras características de ahorro energético pueden incluir puertas individuales a periféricos, lo que permite apagar ciertos circuitos cuando no estén en uso.

Conclusión
El deseo de lograr más por menos es fundamental en la naturaleza humana, como lo demuestran las crecientes demandas del mercado a los productos electrónicos. Pese a que la Madre Naturaleza restringe el rendimiento de las pilas según su composición química, el diseño meticuloso y las características innovadoras de los circuitos integrados de gestión de la energía hacen posibles otras mejoras.

Autor:

Jo Brook, Product Manager, Farnell.

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