Verständnis der Verlustleistung des LDO-Reglers in Bezug auf die Batterielebensdauer

Wenn wir eine Batteriekapazität von 8.000 mAh haben, würde unser Regler die nutzbare Kapazität effektiv auf 4.400 mAh reduzieren?

Nein, es ist kein linearer Zusammenhang.

Die Kapazität wird von der vollen Spannung (1,5 V) bis zur Abschaltung von 0,8 V bewertet.
Mit der Zeit entlädt sich der Akku und die Kapazität nimmt ab. Auch die Batteriespannung sinkt.

Die Grenzspannung beträgt 3,3 V + 0,15 V Dropout-Spannung oder 3,45 V.
Bei vier Batterien beträgt die Abschaltspannung einer einzelnen Batterie 3,45 V ÷ 4 = 0,8625 V

Der gelbe Bereich unter der Kurve ist ungenutzte Kapazität.

Würde das bedeuten, dass wir, wenn wir stattdessen 3 AA-Batterien verwenden und einen Wirkungsgrad von 73 % erreichen, der 4,5 V in 3,3 V umwandelt, immer noch 4.400 mAh nutzbare Batterielebensdauer haben?

Bei 3 AA beträgt die Einzelbatterie-Abschaltspannung 3,45 V ÷ 3 = 1,15 V.
Alles über 1,15 V wird nicht verwendet.

Der gelbe Bereich unter der Kurve ist ungenutzte Kapazität.

Sie würden deutlich weniger Akkuenergie verschwenden, wenn Sie 3 statt 4 Akkus verwenden würden.

Der einzige Gewinn, den Sie durch die Verwendung von 4 Batterien erzielen, besteht darin, die Abschaltspannung von 1,15 auf 0,8625 V zu senken, was Ihnen eine etwas längere Batterielebensdauer verleiht. Aber gleichzeitig ist die Energie zwischen 1,15 und 0,8625 V Verschwendung.

Zwischen den roten Linien ist die zusätzliche Laufzeit, die mit dem vierten Akku gewonnen wird.
Das Gelb unter der Kurve ist hier die Kapazität, die durch die Verwendung von 4 statt 3 Batterien gewonnen wird.

Ein Batterie-Boost-Umschalter für 3,3 V ist sehr einfach. Ein Beispiel ist der hocheffiziente Einzelzellen-Aufwärtswandler LV61225 von
Texas Instruments

Wenn der Strom sehr niedrig ist, sehen Sie sich LOW-POWER SYNCHRONOUS BOOST CONVERTER an

Die Batteriespannung nimmt ab, wenn die Batterien voll sind, bis sie leer sind. Bei der Berechnung des Wirkungsgrades für einen Linearregler (LDO ist eine Art Linearregler) muss dies irgendwie berücksichtigt werden. Am einfachsten ist es, die DURCHSCHNITTLICHE Spannung der Batterien über die gesamte Entladekurve zu verwenden. Die durchschnittliche Spannung einer AA-Alkalibatterie beträgt etwa 1,3 V, obwohl dies von der Last abhängt. Bei 4 Batterien in Reihe beträgt die durchschnittliche Spannung also etwa 1,3 V * 4 = 5,2 V. Der durchschnittliche Wirkungsgrad des LDO beträgt also 3,3/5,2, was etwa 63 % entspricht.

Wenn Sie einen Abwärtswandler verwenden, können Sie wahrscheinlich damit rechnen, relativ leicht 85 % zu erreichen. Höhere Wirkungsgrade sind auch möglich, aber Sie müssen alles sehr sorgfältig tun. Mit einem Abwärtswandler erhalten Sie also eine etwa 30 % längere Akkulaufzeit.

Es gibt noch etwas zu beachten. Die Verlustleistung im LDO ist gleich Iload * (Vin - Vout). Hier müssen Sie jetzt die maximale Spannung verwenden, nicht den Durchschnitt. Nehmen wir also 1,5 V. Das ist Iloud * (6 - 3,3) = Iload * 2,7.

Bei 100mA sind das nur 270mW. Ziemlich überschaubar. Aber wenn Ihre Last 500 mA beträgt, dann sind das 1,35 W, was schwierig zu handhaben sein wird. Höhere Ströme sollten Sie also von einem LDO weg und hin zu einem Abwärtswandler lenken.

Betrachten wir nun den Ruhestrom. Wenn der Regler längere Zeit mit geringer oder ohne Last betrieben wird, muss der Ruhestrom berücksichtigt werden. LDOs haben einen viel niedrigeren Ruhestrom als Abwärtswandler, obwohl einige Abwärtswandler niedrig genug sind, um viele Monate (ohne Last) mit AA-Batterien zu laufen. Achten Sie auf die Angabe des Ruhestroms, falls dies auf Sie zutrifft. Außerdem ist die Effizienz des Buck-Reglers bei sehr geringen Lasten nicht viel besser als bei einem LDO.

Betrachten wir nun die Kosten. Wenn Sie nur einen bauen, spielt der Preisunterschied keine Rolle. Aber wenn Sie dies in Massenproduktion herstellen, denken Sie daran, dass LDOs WESENTLICH billiger sind als Abwärtswandler (in Volumen). Dies gilt jedoch möglicherweise nicht, wenn Sie einen Ausgangsstrom von 200 mA oder mehr haben, da Sie dann einen großen LDO oder einen LDO plus Kühlkörper benötigen.

Das sind also alle Kompromisse. Ich vermute, dass Sie mit einem Abwärtswandler in Ihrer Anwendung besser dran sind, es sei denn, der Ausgangsstrom liegt unter etwa 50 mA. In diesem Fall würde ich einen LDO verwenden.

Wenn wir eine Batteriekapazität von 8.000 mAh haben, würde unser Regler die nutzbare Kapazität effektiv auf 4.400 mAh reduzieren?

Nein. Ladung von der Batterie, unter Vernachlässigung des zur Erde umgeleiteten LDO-Stroms, erscheint in der Last.

Wenn Sie jedoch Ihre Primärbatterie in Wh messen, werden an der Last viel weniger Wh angezeigt, da Sie die Überspannung der Batterie "verschwendet" haben. Bei diesem Spannungsunterschied könnte ein SMPS eine Überlegung wert sein.

Das heißt, wenn ich einen 3,3-V-Stromkreis habe und einen LDO-Linearregler verwende, erhalte ich aufgrund von Effizienz und Wärmeableitung mit 3 AA-Batterien mehr oder weniger die gleiche Batterielebensdauer wie mit 4 AA-Batterien?

Mit 4 AAs erhalten Sie eine längere Batterielebensdauer, da Sie auf eine niedrigere Spannung pro Zelle abfallen können, bevor Sie die Mindestspannung im LDO erreichen. Angenommen, Ihr LDO funktioniert bis zu einem Abfall von 300 mV, dann können Sie mit 3 AAs nur auf 1,2 V pro Zelle sinken, mit 4 können Sie auf 0,9 V fallen, was eine deutliche Verbesserung der nutzbaren Kapazität darstellt.

Sie sollten für unterschiedliche Zellchemien unterschiedliche Strategien verwenden, wenn Sie die beste Effizienz erzielen möchten. Bei Zelltypen, bei denen die Ausgangsenergie mit einem großen Spannungshub geliefert wird, wie Alkali und wiederaufladbares Lithium, verschwendet ein LDO zu Beginn des Lebens viel Spannung, mit einem SMPS sind Sie normalerweise besser dran. Für Zelltypen mit einer relativ flachen Spannungskurve, wie Nickel, Blei, primäres Lithium und Silberoxid, ist eine sorgfältige Auswahl der Spannungen selbst mit einem LDO einigermaßen effizient.