在電池供電的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)

許多電池供電系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用程序——例如智能儀表、智能衛(wèi)生產(chǎn)品、可視門鈴、機(jī)器人玩具、個(gè)人衛(wèi)生產(chǎn)品和電子鎖——都包含電機(jī)、螺線管或繼電器。電池和電機(jī)物理之間的相互作用產(chǎn)生了一些有趣的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如在電池電壓變化時(shí)可靠地運(yùn)行系統(tǒng)，限度地減少待機(jī)功率以延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，以及在啟動(dòng)和停止期間為電機(jī)提供大電流。

在本文中，我將提供一些技巧來幫助克服這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

 

電池供電電機(jī)系統(tǒng)概述

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可用的電池電壓范圍取決于電池的化學(xué)性質(zhì)、放電深度、溫度、負(fù)載電流以及串聯(lián)或并聯(lián)連接的電池單元數(shù)量。盡管電池建模是一門復(fù)雜的科學(xué)，但讓我們從使用開路電壓 (V OCV )、電池內(nèi)阻 (R BAT ) 和電池端電壓 (V BAT ) 的簡(jiǎn)單電池模型開始，如圖1所示。

 

圖 1. 帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的電池供電系統(tǒng)框圖。

 

表 1顯示了各種電池化學(xué)組成的電池電壓范圍的一些示例。

 

電池化學(xué)和疊層	充滿電的電池的V BAT	耗盡電池的V BAT	蝙蝠俠_	容量
2 AA（堿性），金霸王 OP1500	1.7 伏/電池 總計(jì) 3.4 V	0.8 伏/電池 總計(jì) 1.6 V	100-250 mΩ/電池 總計(jì) 200-500 mΩ	2,400 毫安時(shí)*
3 AAA（堿性），松下 LR03AD	1.55 伏/電池 總計(jì) 4.65 V	0.8 伏/電池 總計(jì) 2.4 V	135 mΩ/電池（平均） 總計(jì) 405 mΩ（平均）	2,640 毫安時(shí)
4 AA（堿性），勁量 E91	1.5 伏/電池 6 伏/電池	0.8 伏/電池 總計(jì) 3.2 V	150-300 mΩ/cell（新鮮） 總計(jì) 600-1200 mΩ（新鮮）	2,500 毫安時(shí)*
1 鋰離子電池，松下 NCR18650BF	4.2伏	2.5伏	77 毫歐*	3,200 毫安時(shí)
2 鋰聚合物，F(xiàn)arnell SR674361P	4.2 伏/電池 總計(jì) 8.4 V	2.75 伏/電池 總計(jì) 5.5 V	160 mΩ/電池 總計(jì) 320 mΩ	2,000 毫安時(shí)

*根據(jù)其他電池?cái)?shù)據(jù)表參數(shù)計(jì)算的參數(shù)表 1. 各種電池化學(xué)成分和疊層的近似電池參數(shù)。

 

R BAT和 V OCV是 V BAT在電池壽命期間變化的關(guān)鍵因素。隨著電池電量耗盡，V OCV降低，而 R BAT增加。當(dāng)負(fù)載從電池汲取電流 (I BAT ) 時(shí)，V BAT由于 R BAT上的壓降而降低。

圖 2顯示了電池壽命期間V OCV、R BAT和 I BAT之間的關(guān)系。

 

圖 2.基于 TI 化學(xué)識(shí)別數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)， 堿性(a)和鋰離子(b)電池在各種電池負(fù)載電流 (IBAT) 下的 VBAT 和 RBAT 圖。

 

放電深度 (DoD) 表示電池壽命相對(duì)于以毫安小時(shí) (mAh) 給出的完整電池充電容量的百分比。100% DoD 表示電池完全放電。

 

針對(duì)寬 V BAT 范圍的設(shè)計(jì)

由于 V BAT隨 DoD 和 I BAT變化，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源軌額定值必須適應(yīng)一系列可能的電池電壓。例如，許多為 24V 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源軌為 4.5V。當(dāng)四個(gè)堿性電池串聯(lián)時(shí)，具有 4.5V 電源額定值的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)在電池完全充滿之前使用欠壓鎖定來禁用自身流走。

Texas Instruments (TI) 的DRV8210和DRV8212是專為電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器示例，電源額定值為 1.65 V 至 11 V。這可容納兩節(jié)鋰電池組的電壓 (8.4 V) 或幾乎放電的兩節(jié)堿性電池組 (1.65 V)。

 

低功耗待機(jī)模式設(shè)計(jì)

電池供電系統(tǒng)的大部分工作壽命都處于待機(jī)狀態(tài)。例如，消費(fèi)者可能每天只操作電動(dòng)百葉窗兩次，或者每天鎖定和解鎖電子鎖多達(dá) 20 次。煤氣表或水表上的閥門每年只能啟動(dòng)。為了在這些系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的電池壽命，整個(gè)系統(tǒng)的待機(jī)電流必須很低。

在系統(tǒng)外圍設(shè)備的電源軌上添加負(fù)載開關(guān)是保持低待機(jī)電流的一種方法。另一種方法是使用針對(duì)電池應(yīng)用優(yōu)化的低待機(jī)電流設(shè)備。DRV8210 和 DRV8212 的睡眠電流小于 84.5 nA，有助于降低系統(tǒng)待機(jī)電流消耗。降低系統(tǒng)待機(jī)電流的其他方法是消除電阻分壓器，并在不工作時(shí)將帶有下拉電阻的器件邏輯引腳設(shè)置為 0 V。

 

管理大電流以降低能耗并延長(zhǎng)使用壽命

來自電機(jī)的大電流會(huì)在電池系統(tǒng)中產(chǎn)生兩個(gè)問題：它們無效率地使用能量，并且由于 R BAT上的電壓降，它們會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過早進(jìn)入低電量鎖定狀態(tài)。電機(jī)電流大的原因主要有兩個(gè)：電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流和堵轉(zhuǎn)電流。圖 3顯示了這些電流的示例。

 

圖 3. 浪涌電流和失速電流。

 

通過斜升脈寬調(diào)制占空比為電機(jī)實(shí)施軟啟動(dòng)例程可以減輕電機(jī)啟動(dòng)期間的大浪涌電流。圖 4顯示了四節(jié) AAA 電池耗盡的硬啟動(dòng)和軟啟動(dòng)實(shí)施示例。

在圖 4(a)中，由于 R BAT上的壓降，電機(jī)浪涌電流導(dǎo)致電池電壓在硬啟動(dòng)期間下降。如果該系統(tǒng)重置或進(jìn)入 3.5 V 左右的欠壓鎖定狀態(tài)，則電機(jī)將無法驅(qū)動(dòng)超過初始啟動(dòng)。

圖 4(b)顯示了使用軟啟動(dòng)如何降低電源軌上的壓降，這有助于在電池電量耗盡的情況下延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作壽命。

 

圖 4. 使用 DRV8210 的四個(gè)串聯(lián)耗盡 AAA 電池的硬啟動(dòng)(a)和軟啟動(dòng)(b)浪涌電流。此處顯示的軟啟動(dòng)例程在電機(jī)啟動(dòng)期間將占空比從 0% 斜升至 100%。

 

為了幫助控制失速電流，添加一個(gè)電流檢測(cè)電阻器可以幫助微控制器檢測(cè)失速并在長(zhǎng)時(shí)間吸收大失速電流之前禁用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。失速情況可能是由于意外的機(jī)械阻塞或機(jī)械負(fù)載到達(dá)終點(diǎn)停止（例如智能鎖中的死栓完全啟動(dòng)）。

圖 5顯示了使用 DRV8212 的示例系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

 

圖 5. 使用 DRV8212 實(shí)現(xiàn)失速檢測(cè)的示例框圖。

 

微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量檢測(cè)電阻器電壓并將該電壓與存儲(chǔ)在固件中的閾值進(jìn)行比較。如果電流測(cè)量值在一定時(shí)間內(nèi)超過閾值，微控制器將禁用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以節(jié)省電力。配置檢測(cè)失速的持續(xù)時(shí)間非常重要，這樣浪涌電流就不會(huì)意外觸發(fā)失速檢測(cè)。

圖 6顯示了在實(shí)現(xiàn)失速檢測(cè)的失速條件下的電機(jī)電流曲線，而圖 3顯示了沒有失速檢測(cè)的電機(jī)電流波形。

 

圖 6. 帶失速檢測(cè)的電機(jī)電流曲線。

 

電池制造商以 mAh 為單位測(cè)量電池容量，因此限制浪涌電流的大小和失速電流的持續(xù)時(shí)間有助于延長(zhǎng)電池壽命。

 

結(jié)論

由于有限的電池工作壽命、電池電壓變化和大電機(jī)電流，設(shè)計(jì)使用電機(jī)的電池供電系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性。使用額定用于電池電壓范圍的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以消除額外的升壓轉(zhuǎn)換器并適應(yīng)電池工作電壓，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

限度地減少整個(gè)系統(tǒng)的待機(jī)電流并使用具有低功耗睡眠模式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以減少電池消耗的能量浪費(fèi)。軟啟動(dòng)和失速檢測(cè)技術(shù)還可以通過降低系統(tǒng)中大電機(jī)電流的幅度和持續(xù)時(shí)間來幫助延長(zhǎng)電池應(yīng)用的使用壽命。