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來(lái)源：AVNET 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 一種主流設(shè)想是將無(wú)數(shù)傳感器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，收集本地環(huán)境信息，將數(shù)據(jù)回傳到云端服務(wù)器。這些數(shù)據(jù)可由基于傳感器的應(yīng)用編譯、分析和共享，用于控制灌溉、管理交通擁堵、監(jiān)測(cè)糖尿病患者血糖水平、以及商店貨架備貨量下降時(shí)自動(dòng)補(bǔ)貨等各種場(chǎng)合。 為將這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，需要工程師設(shè)計(jì)新一代微型、低維護(hù)、廉價(jià)的傳感器。小巧的輕型設(shè)備要求電路相對(duì)簡(jiǎn)單，支持無(wú)線連接。隨著能量收集技術(shù)的不斷改進(jìn)，日趨活躍的IoT傳感器需要更可靠的電源。然而，由于這類傳感器的體積和重量受到約束，限制了電源尺寸，因此電池容量隨之減小。而這還只是設(shè)計(jì)人員面臨的難度不大的挑戰(zhàn)，IoT傳感器要求電池在維護(hù)管理?xiàng)l件下，保持很長(zhǎng)的使用壽命。 采用鈕扣電池 移動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員具有搭建高效電路，選擇節(jié)電組件，以延長(zhǎng)電池使用壽命的經(jīng)驗(yàn)。但設(shè)計(jì)微型電池供電的無(wú)線傳感器是一種更艱巨的挑戰(zhàn)。 不過(guò)，設(shè)計(jì)人員可借助小型可穿戴傳感器原始設(shè)備制造商 (OEM) 的經(jīng)驗(yàn)，如利用無(wú)線技術(shù)將信息發(fā)送到運(yùn)動(dòng)腕表的心率監(jiān)視器 (HRM)。這些產(chǎn)品采用大量IoT傳感器普遍所需的技術(shù)。最初，作為電子手表不二之選的CR2032紐扣電池 (采用鋰/二氧化錳— Li/MnO2 —化學(xué)方程式)，現(xiàn)在已普遍選擇用來(lái)為這些可穿戴傳感器供電。流行的CR2032鈕扣電池生產(chǎn)商包括金霸王 (Duracell)、Eagle Picher、勁量 (Energizer)、萬(wàn)勝 (Maxell)、松下 (Panasonic)、飛利浦 (Philips)、雷特威 (Rayovac) 和松柏 (Vinnic) 等。 松下的這款典型電池電量耗盡之前額定電壓為3 V，標(biāo)稱容量225 mAh。松下建議這種電池最大持續(xù)負(fù)載電流為0.2 mA。其他廠商的研究表明，如果電池性能不嚴(yán)重下降的話，CR2032紐扣電池最大瞬態(tài)電流約40 mA。雖然額定容量可作為無(wú)線傳感器中CR2032紐扣電池使用壽命的一個(gè)指標(biāo)，但電池實(shí)際性能受許多因素影響。例如，電池額定容量225 mAh、連續(xù)工作耗電量0.2mA的條件下，提供2V或更高電壓的時(shí)間約為47天。但實(shí)際上，達(dá)到這種水平的產(chǎn)品幾乎沒(méi)有。 
圖1: 松下CR2032鈕扣電池。(圖片來(lái)源: 松下電器) 三個(gè)主要因素最終決定鈕扣電池可用容量 (相對(duì)于額定容量)： · 工作溫度 · 電池負(fù)載 · 電路“功能端點(diǎn)”(FEP) 圖2顯示0.19 mA負(fù)載電流條件下，溫度對(duì)松下CR2032紐扣電池性能的影響。圖中顯示，在采用外置無(wú)線傳感器的情況下，高溫 (60 C) 影響不是非常明顯，但低溫產(chǎn)生的影響卻很大。
圖2: 溫度對(duì)CR2032使用壽命的影響。(圖片來(lái)源: 松下電器) FEP由設(shè)計(jì)電壓要求最高的組件決定。現(xiàn)代硅器件很經(jīng)濟(jì)，但某些芯片至少需要2.2 V才能工作。即使其余組件可以在較低電壓下工作，但如果2.2 V電池是傳感器工作的關(guān)鍵條件，那么一旦電壓低于這個(gè)閾值，產(chǎn)品將會(huì)失去作用。 一種選擇是將穩(wěn)壓器由線性轉(zhuǎn)換器改為開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器 (提升電池電壓)，但這會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且很難設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊的傳感器。如圖2所示，在較寬的溫度范圍內(nèi)，2.2 V FEP的產(chǎn)品使用壽命，與2 V FEP相比差別不是很大；但在不同工作條件下，這種影響會(huì)變得十分明顯。 例如，無(wú)線傳感器通常采用低功率無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙低能耗技術(shù)或ZigBee。這種技術(shù)采用高占空比降低平均功耗，射頻電路大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。然而，工作狀態(tài)下，射頻需要較高的電量。由于射頻電路根據(jù)脈沖需求規(guī)則地順序?qū)P(guān)閉，與恒定負(fù)載相比，會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生十分不利的影響。 圖3顯示CR2032鈕扣電池 (電池額定容量225 mAh) 分別在10、30、50和80 mA高峰值脈沖電流條件下的放電曲線，脈沖電流周期為1ms，頻率為40Hz。從圖中可以看到，80 mA時(shí)，高峰值電流和高平均電流條件下，電池達(dá)到極限，有可能造成損壞。在30和10 mA更加實(shí)際的工作電流條件下，達(dá)到2 V FEP后，電池耗電量分別為180 mAh和190 mAh，請(qǐng)注意，F(xiàn)EP為2.2 V時(shí)，差別十分明顯。脈沖電流為30 mA時(shí)，達(dá)到2.2 V FEP后，耗電量?jī)H為160 mAh，相比之下，脈沖電流為10mA 時(shí)，耗電量為185 mAh。
圖3: CR2032在各種脈沖峰值電流條件下的放電曲線 。(圖片來(lái)源: Nordic Semiconductor) 最大化鈕扣電池使用壽命 制定無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)方案時(shí)，最好從確定射頻芯片數(shù)據(jù)表開(kāi)始，因?yàn)檫@個(gè)組件是這類器件中功耗最大的一個(gè)器件。明智的做法是檢查目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景類似應(yīng)用的平均電流和峰值電流。 除射頻芯片外，工程師還應(yīng)考慮加大FEP裕度，盡可能選擇供電電壓低的芯片，并選擇峰值電流最低的器件，最大程度減小耗電量。為保持設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，減少材料清單 (BOM)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇線性穩(wěn)壓器，而且要考慮到只有這種穩(wěn)壓器可以步降輸入電壓，降低輸出電壓—輸入輸出差越高，穩(wěn)壓效率越低，對(duì)電池的影響越大。 采用電源管理系統(tǒng)可防止電池同時(shí)為多個(gè)大耗電量器件供電，進(jìn)一步延長(zhǎng)鈕扣電池使用壽命。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)記住，任何高峰值脈沖負(fù)載—不僅射頻電路負(fù)載—同樣影響電池壽命。例如，LED組合、振動(dòng)馬達(dá)、壓電蜂鳴器、LCD背光和其它組件都會(huì)產(chǎn)生高峰值脈沖負(fù)載。 按照典型工作模式平均電流分配“正確的”電池容量 (預(yù)測(cè)達(dá)到FEP之前特定應(yīng)用的可用容量，以及有可能不同于額定容量)，可以很好地估計(jì)產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài)下電池的使用壽命。 |
