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        物聯網:設計基于傳感器采用鈕扣電池供電的設備

        發布時間:2022-4-29 11:20    發布者:eechina
        關鍵詞: 物聯網 , 傳感器 , 鈕扣電池
        來源:AVNET

        物聯網 (IoT) 一種主流設想是將無數傳感器構成網絡,收集本地環境信息,將數據回傳到云端服務器。這些數據可由基于傳感器的應用編譯、分析和共享,用于控制灌溉、管理交通擁堵、監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。

        為將這一設想變為現實,需要工程師設計新一代微型、低維護、廉價的傳感器。小巧的輕型設備要求電路相對簡單,支持無線連接。隨著能量收集技術的不斷改進,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。而這還只是設計人員面臨的難度不大的挑戰,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

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

        不過,設計人員可借助小型可穿戴傳感器原始設備制造商 (OEM) 的經驗,如利用無線技術將信息發送到運動腕表的心率監視器 (HRM)。這些產品采用大量IoT傳感器普遍所需的技術。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 —化學方程式),現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,標稱容量225 mAh。松下建議這種電池最大持續負載電流為0.2 mA。其他廠商的研究表明,如果電池性能不嚴重下降的話,CR2032紐扣電池最大瞬態電流約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,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
        · 電池負載
        · 電路“功能端點”(FEP)

        圖2顯示0.19 mA負載電流條件下,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由設計電壓要求最高的組件決定,F代硅器件很經濟,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鍵條件,那么一旦電壓低于這個閾值,產品將會失去作用。

        一種選擇是將穩壓器由線性轉換器改為開關型轉換器 (提升電池電壓),但這會增加成本和設計的復雜性,而且很難設計結構緊湊的傳感器。如圖2所示,在較寬的溫度范圍內,2.2 V FEP的產品使用壽命,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,如藍牙低能耗技術或ZigBee。這種技術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。然而,工作狀態下,射頻需要較高的電量。由于射頻電路根據脈沖需求規則地順序導通關閉,與恒定負載相比,會對電池壽命產生十分不利的影響。

        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,FEP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

        制定無線傳感器設計方案時,最好從確定射頻芯片數據表開始,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應用場景類似應用的平均電流和峰值電流。

        除射頻芯片外,工程師還應考慮加大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。為保持設計簡單,減少材料清單 (BOM),設計人員應選擇線性穩壓器,而且要考慮到只有這種穩壓器可以步降輸入電壓,降低輸出電壓—輸入輸出差越高,穩壓效率越低,對電池的影響越大。

        采用電源管理系統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。設計工程師應記住,任何高峰值脈沖負載—不僅射頻電路負載—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生高峰值脈沖負載。

        按照典型工作模式平均電流分配“正確的”電池容量 (預測達到FEP之前特定應用的可用容量,以及有可能不同于額定容量),可以很好地估計產品實際工作狀態下電池的使用壽命。
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