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物聯(lián)網(wǎng):設(shè)計基于傳感器采用鈕扣電池供電的設(shè)備

發(fā)布時間:2022-4-29 11:20    發(fā)布者:eechina
來源:AVNET

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 一種主流設(shè)想是將無數(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)測糖尿病患者血糖水平、以及商店貨架備貨量下降時自動補貨等各種場合。

為將這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實,需要工程師設(shè)計新一代微型、低維護、廉價的傳感器。小巧的輕型設(shè)備要求電路相對簡單,支持無線連接。隨著能量收集技術(shù)的不斷改進,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)計人員面臨的難度不大的挑戰(zhàn),IoT傳感器要求電池在維護管理條件下,保持很長的使用壽命。

采用鈕扣電池

移動產(chǎn)品設(shè)計人員具有搭建高效電路,選擇節(jié)電組件,以延長電池使用壽命的經(jīng)驗。但設(shè)計微型電池供電的無線傳感器是一種更艱巨的挑戰(zhàn)。

不過,設(shè)計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,如利用無線技術(shù)將信息發(fā)送到運動腕表的心率監(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線傳感器中CR2032紐扣電池使用壽命的一個指標(biāo),但電池實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或更高電壓的時間約為47天。但實際上,達到這種水平的產(chǎn)品幾乎沒有。


圖1: 松下CR2032鈕扣電池。(圖片來源: 松下電器)

三個主要因素最終決定鈕扣電池可用容量 (相對于額定容量):

· 工作溫度
· 電池負(fù)載
· 電路“功能端點”(FEP)

圖2顯示0.19 mA負(fù)載電流條件下,溫度對松下CR2032紐扣電池性能的影響。圖中顯示,在采用外置無線傳感器的情況下,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CR2032使用壽命的影響。(圖片來源: 松下電器)

FEP由設(shè)計電壓要求最高的組件決定。現(xiàn)代硅器件很經(jīng)濟,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閾值,產(chǎn)品將會失去作用。

一種選擇是將穩(wěn)壓器由線性轉(zhuǎn)換器改為開關(guān)型轉(zhuǎn)換器 (提升電池電壓),但這會增加成本和設(shè)計的復(fù)雜性,而且很難設(shè)計結(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,這種影響會變得十分明顯。

例如,無線傳感器通常采用低功率無線技術(shù),如藍牙低能耗技術(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,會對電池壽命產(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,高峰值電流和高平均電流條件下,電池達到極限,有可能造成損壞。在30和10 mA更加實際的工作電流條件下,達到2 V FEP后,電池耗電量分別為180 mAh和190 mAh,請注意,F(xiàn)EP為2.2 V時,差別十分明顯。脈沖電流為30 mA時,達到2.2 V FEP后,耗電量僅為160 mAh,相比之下,脈沖電流為10mA 時,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 。(圖片來源: Nordic Semiconductor)

最大化鈕扣電池使用壽命

制定無線傳感器設(shè)計方案時,最好從確定射頻芯片數(shù)據(jù)表開始,因為這個組件是這類器件中功耗最大的一個器件。明智的做法是檢查目標(biāo)應(yīng)用場景類似應(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)計簡單,減少材料清單 (BOM),設(shè)計人員應(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,對電池的影響越大。

采用電源管理系統(tǒng)可防止電池同時為多個大耗電量器件供電,進一步延長鈕扣電池使用壽命。設(shè)計工程師應(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、振動馬達、壓電蜂鳴器、LCD背光和其它組件都會產(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)測達到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),可以很好地估計產(chǎn)品實際工作狀態(tài)下電池的使用壽命。
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