Elevando la tensión con una sola batería se pueden sustituir varias baterías y reducir tanto los costes como el tamaño, tal como explican Jason Tollefson, Mikhail Voroniouk  y Adam Jakubiak, de Microchip Technology Inc. y Energizer Battery Company

Si bien las baterías recargables resultan indicadas para aplicaciones con un elevado nivel de uso y una alta tasa de descarga, una batería primaria sigue siendo la opción de diseño más sencilla y de menor coste para la mayoría de dispositivos portátiles y la que puede proporcionar una reducción significativa de tamaño.
Con independencia de si el diseño es para un medidor de glucosa en sangre, un periférico para PC o una cámara, los objetivos serán ofrecer un control inteligente y la vida más prolongada de la batería, así como reducir el tamaño y el peso del producto final para que sea más portátil.

Naturalmente, decidirse por la implementación de un diseño con una sola batería es solo el principio: luego está la decisión sobre el tipo de tecnología a utilizar. La Figura 1 muestra un conjunto de conocidas tecnologías de batería primarias y sus aplicaciones más habituales.

Para temporizadores y relojes, que consumen poca energía si se compara con una vida operativa de hasta
10 años, las baterías pequeñas y ligeras de litio de tipo botón, como las de Li/MnO2, se suministran en 13 tamaños diferentes.
Para productos portátiles que tienen una tasa de descarga baja o media, las baterías alcalinas cilíndricas están disponibles en tres formatos compactos: AA, AAA y AAAA.

Las baterías cilíndricas de litio (LiFeS2) solo ofrecen dos formatos, AA y AAA, y son las más apropiadas para aplicaciones con una tasa de descarga media o alta, o cuando se necesita trabajar con bajas temperaturas. Si se comparan con las baterías alcalinas cilíndricas, las de litio son un 33% más ligeras, proporcionan una mayor fiabilidad y tienen una vida operativa de hasta 15 años, que es dos o tres veces superior a las baterías alcalinas.

Diseños con una sola batería
La mayor integración del silicio y unos componentes pasivos más pequeños permiten disminuir año tras año el tamaño de los dispositivos portátiles. Para la mayoría de diseños, la barrera para una mayor reducción del tamaño es el propio tamaño físico de la cavidad de la batería, que posiblemente ha de dejar espacio para dos o más baterías. La alternativa pasa por utilizar un microcontrolador que pueda funcionar con una sola batería de 1,5V.

Un convertidor elevador de batería, como el MCP1640 de Microchip, proporciona una fuente de alimentación al elevar una tensión de entrada hacia una tensión regulada más elevada, como una tensión de 2,0 a 5,0V. Esto significa que el dispositivo puede empezar a funcionar con una tensión de entrada notablemente más baja que la tensión de trabajo.

Por ejemplo, muchos microcontroladores no pueden trabajar con una tensión inferior a 2V, mientras que el convertidor elevador puede suministrar la tensión a partir de una tensión inicial de tan solo 0,65V. La Figura 2 muestra una típica forma de onda de arranque, en la cual el arranque de baja tensión empieza a cargar la tensión de salida hasta la tensión de entrada. Una vez cargada la tensión de salida, el canal N empieza a conmutar, bombeando la tensión de salida hacia valores superiores, tras lo cual la polarización interna conmuta de la entrada a la salida. Esto permite a una aplicación que utilice una sola batería alcalina única elevada arrancar en cualquier punto de su curva de descarga, siempre que tenga la suficiente capacidad sobrante como para poner en funcionamiento el dispositivo.

Si bien un convertidor elevador de batería puede ser capaz de suministrar una tensión de salida consistente a partir de tensiones de entrada muy bajas (por ejemplo 0,35V), los proveedores de baterías, como Energizer, no recomiendan descargar las baterías alcalinas o de litio por debajo de 0,8V ya que pueden dañar la batería.

Las ventajas que conlleva el uso de una sola batería dependen del tipo de batería sustituido. Por ejemplo, al sustituir dos baterías alcalinas por una sola batería alcalina se ahorra tanto el espacio como peso de la segunda batería, y por tanto se compensa la pequeña cantidad de espacio que necesitan el convertidor y sus componentes de soporte.

El uso de un convertidor elevador de batería también maximiza la eficiencia energética al proporcionar una alimentación regulada en todo el rango operativo de la batería. Esta tensión regulada puede hacer que el microcontrolador trabaje de manera  más eficiente ya que le trabajar con una tensión más baja y más plana. Por ejemplo, al reducir la tensión de trabajo del microcontrolador de 3,3V a 2,2V el consumo es 1,8 veces más reducido en el lado del microcontrolador (diferencia de tensión al cuadrado). Además, el convertidor elevador ofrece protección frente a cortocircuitos al limitar la corriente.

El coste OEM para la implementación del convertidor elevador con una sola batería es un poco más alto que el coste de dos baterías alcalinas, pero el coste operativo para el consumidor puede ser parecido para las dos opciones si el convertidor elevador trabaja a alta eficiencia. La adopción de una sola batería alcalina permite que los desarrolladores disminuyan el tamaño del producto sin cambiar la química de la batería a partir de un diseño ya existente y basado en varias baterías. Trabajar con una sola batería única también simplifica los factores de tipo mecánico sobre la cápsula de la batería y reduce el riesgo de que el usuario lo instale incorrectamente.

Los diseñadores que comparan las ventajas e inconvenientes que conlleva la implementación de una sola batería alcalina respecto a una batería recargable de polímero de ion de litio encontrarán similitudes pero diferentes razones para optar por una sola batería. Dado que el convertidor elevador proporciona una salida de alimentación regulada, permite ajustar la tensión para maximizar la eficiencia del sistema. De forma parecida al de la batería alcalina, el convertidor elevador proporciona protección frente a cortocircuitos mediante limitación de corriente. La huella de 352 mm? de una sola batería alcalina de tipo AAAA es más pequeña que el de una sola batería de polímero de ion de litio de 650 mm? (31,0 x 21,0 x 3,5 mm), incluso si tienen el mismo volumen (2,3 cc) y suponiendo un diseño de placa bicapa.

El uso de una batería alcalina en lugar de una de polímero de ion de litio simplifica la logística porque no necesita circuitería de carga y cumple las regulaciones relativas al manejo de litio. Para las aplicaciones en las cuales resulte más práctico sustituir la batería, un convertidor elevador con una sola batería alcalina de tipo AAAA puede reducir el coste en un 50-70% para la parte de la batería del sistema si se compara con una sola batería de polímero de ion de litio junto con el controlador de carga y el cargador.

La comparación entre un montaje con una sola batería alcalina y una batería de litio de tipo botón demuestra que existe una serie de condiciones para las cuales resulta favorable la opción de una sola batería. Para este ejemplo, la comparación se realiza entre una batería alcalina AAAA con una capacidad nominal de 600 mAh y una batería de litio de tipo botón CR2032 con una capacidad nominal de 225 mAh. De forma parecida al ejemplo del polímero de ion de litio, el uso de una sola batería elevadora evita la necesidad de cumplir las regulaciones relativas al manejo del litio. Las baterías cilíndricas, como las AAAA, son más conocidas para los consumidores que las baterías de botón y esto facilita su correcta instalación. El tamaño de la huella es similar para ambos casos: con una sola batería alcalina AAAA es de unos 352 mm? frente a los 314 mm? para la batería litio de tipo botón CR2032, para una placa bicapa.

La batería alcalina única sigue aprovechando la tensión ajustable para maximizar la eficiencia y ofrecer protección frente a cortocircuitos mediante la limitación de corriente. Sin embargo, a diferencia de la CR2032, la batería alcalina es capaz de suministrar una mayor corriente continua. En concreto, la batería alcalina elevada puede suministrar 150 mA de forma continua, mientras que la CR2032 puede suministrar pulsos muy cortos. Una corriente continua superior a 10 mA obtenidos de una batería CR2032 reducirá enormemente su capacidad útil e, incluso a 20 mA, solo puede suministrar 1/5 de la energía que pueden ofrecer las baterías AAAA elevadas, como muestra la Figura 3.

Ventajas e inconvenientes para el sistema
Si bien un convertidor elevador de batería aporta numerosas ventajas, como permitir que un diseño basado en microcontrolador funcione con una sola batería, es importante valorar las ventajas e inconvenientes para el sistema entre una sola batería y un diseño con varias baterías. La eficiencia del convertidor elevador de batería depende mucho de la corriente suministrada, así como de las tensiones de entrada y salida. La pérdida dominante para un convertidor elevador es la resistencia, de manera que la eficiencia con tensiones más bajas de entrada/salida es menor que la eficiencia en aplicaciones con tensiones más altas de entrada/salida, tal como indica la Figura 4. Otros factores que pueden influir sobre el convertidor elevador son las pérdidas resistivas en el inductor y los condensadores. Los inductores con menores resistencias serie CC y los condensadores con una baja resistencia serie equivalente (Equivalent Series Resistance, ESR) permiten una mayor eficiencia en función del tamaño y del coste.

Para un sistema que consuma menos corriente, el convertidor elevador puede incluir un modo de funcionamiento en reposo que generalmente consume 20 µA y un modo de apagado que consume menos de 1 µA. Cuando se une a un microcontrolador, un elevador puede suministrar una tensión para alimentar la aplicación en modo dormido, utilizando para ello un método de ajuste progresivo. El microcontrolador activa el circuito elevador cuando la tensión del sistema cae por debajo de un nivel predeterminado, y entonces lo desconecta para eliminar la corriente operativa del elevador mientras sigue alimentando el condensador de salida del elevador. Gracias a este método, el consumo total de energía del microcontrolador y el regulador elevador puede caer hasta un 87%.
La implementación de un convertidor elevador de batería permite que un diseño disminuya el área total del sistema con el tamaño de la segunda batería, con el factor a considerar de la incorporación del convertidor elevador, dos resistencias, dos condensadores y un inductor, como muestra la Figura 5. El peso del convertidor elevador y de sus componentes de soporte es despreciable para la mayoría de diseños. La superficie de un circuito convertidor elevador típico es  aproximadamente de 60 mm?, considerablemente más reducida que los 450 mm? de área de una segunda batería AAA o los 352 mm? de la superficie de una segunda batería AAAA, y aun así se logra reducir la superficie entre 290 y 390 mm? para todo el sistema, tomando como referencia un diseño para placa bicapa. El coste OEM de implementar un convertidor elevador y sus componentes de soporte es de unos 0,20 dólares, que se pueden ver o no compensados por la tecnología de la batería alternativa que se está sustituyendo.

Muchas compañías de semiconductores ofrecen notas de aplicación y/o diseños de referencia para sus convertidores elevadores, como el diseño de referencia de convertidor elevador para una sola batería AAAA MCP1640 de Microchip mostrado en la Figura 6. La modificación de este circuito prediseñado para una aplicación determinada puede permitir acortar el tiempo de diseño de forma considerable.

Ventajas para los productos finales
Una implementación con una sola batería elevada no solo permite su diferenciación mediante un formato más pequeño para muchas aplicaciones, sino que puede proporcionar una ventaja en costes respecto a las baterías de tipo botón o recargables. La posibilidad de minimizar la anchura y el peso del mango de un cepillo de dientes eléctrico permite un manejo más natural en la mano del usuario. El uso de una sola batería también simplifica el esfuerzo de diseño mecánico al asegurar que el usuario ha instalado la batería correctamente.

Otra ventaja que conlleva el uso de una batería elevada es que la alimentación suministrada al dispositivo esté regulada, de forma que recibe un perfil plano de tensión durante toda la vida de la batería. De esta forma el cepillo dental proporciona una vibración constante durante toda la vida de la batería sin una caída perceptible de la intensidad de vibración y de las prestaciones a medida que se descarga la batería. Además, el microcontrolador puede modular la señal de vibración, por ejemplo generando una vibración pulsante para indicar al usuario que la batería se acerca al final de su vida operativa.

Las linternas, especialmente las linternas LED, también pueden aprovechar de una tensión de alimentación regulada mediante el convertidor elevador para alimentar un microcontrolador, que a su vez controla una alimentación más compleja de los LED. La alimentación regulada puede evitar una atenuación de la linterna a medida que la batería se descarga para proporcionar una luz constante durante toda la vida de la batería.

El uso de una sola batería elevada puede resultar apropiado en dispositivos de precio apreciable como un ratón inalámbrico portátil. Estos ratones logran prolongar la vida de la batería mediante actualizaciones de su posición a baja frecuencia para navegación por la Web y la edición de textos, a diferencia de las actualizaciones de alta frecuencia para juegos. Los ratones inalámbricos pueden tener un tamaño compacto con una sola batería sustituible y ahorrar en diseño y coste de materiales frente a otras opciones basadas en una batería recargable. Por lo que respecta a la diferencia de coste entre las tecnologías de las baterías, el uso de una batería sustituible implica que el diseño mecánico evita la incorporación de un costoso conector para la fuente de recarga.

Los consumidores están familiarizados en su mayoría con los formatos cilíndricos AA, AAA y AAAA, y saben dónde comprarlos. Los diseños que utilizan estos formatos pueden proporcionar un acceso más sencillo para sustituir la batería, por lo que el usuario confía en instalar la batería de forma correcta. Si bien hay otros formatos de uso habitual, como la batería de botón, los consumidores en su mayoría no están familiarizados con las características de los diferentes formatos si están tan seguros de haber instalado la batería correctamente. Una clara orientación para instalar una batería cilíndrica, junto con la facilidad de adquirir una batería de sustitución, proporcionan una sencilla diferenciación para un diseño.

El equipamiento con una tensión elevada también se pueden diferenciar al incorporar conectividad RF en el volumen que quedó liberado con el uso de una sola batería. Entre las aplicaciones que pueden aprovechar este equipo médico portátil, como los módulos de presión sanguínea y los medidores de glucosa en sangre, así como las balizas utilizadas en entornos industriales para el seguimiento de contenedores de transporte.
Resumen

La sustitución de diseños basados en varias baterías por una sola batería y un convertidor elevador de batería, como el MCP1640 de Microchip, aporta ventajas reales para una amplia variedad de aplicaciones portátiles. El uso de una sola batería elevada puede permitir que los diseños ganen un perfil competitivo al ser más pequeños y ligeros, con un coste más reducido de los materiales y un diseño mecánico más sencillo que con varias baterías. Los usuarios finales también aprovechan la amplia disponibilidad y su conocimiento de las baterías cilíndricas. Todas éstas son razones válidas para adoptar un diseño de una sola batería para dispositivos portátiles.

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