Оптимизация драйверов двигателей для батарейных IoT-устройств

Мастерство проектирования драйверов двигателей для продления жизни батареи в IoT-системах

Батарейные устройства Интернета вещей — от умных счетчиков и санитарных датчиков до видеозвонков, роботизированных игрушек, гигиенических гаджетов и электронных замков — часто полагаются на двигатели, соленоиды или реле. Взаимодействие между химией батареи, её просадкой напряжения и током двигателя создает уникальные вызовы проектирования: поддержание надежной работы по мере разряда батареи, минимизация потребления в режиме ожидания для максимизации времени работы и управление высокими пиковыми токами при пуске и блокировке ротора.

Ниже приведены проверенные стратегии, помогающие преодолеть эти вызовы и доставлять надежные, долговечные батарейные двигательные системы.

Обзор батарейных двигательных систем

Напряжение, доступное для драйвера двигателя, зависит от нескольких факторов: химии батареи, глубины разряда (DoD), рабочей температуры, тока нагрузки и последовательно/параллельной конфигурации элементов. Хотя моделирование батареи может быть сложным, простая модель открытого цепи с использованием V_OCV (напряжение холостого хода), R_BAT (внутреннее сопротивление) и измеренного V_BAT дает проектировщикам ясную отправную точку. См. Рисунок 1 для блок-схемы.

Рисунок 1. Блок-схема батарейной системы с драйвером двигателя и двигателем.

Нижеприведенная таблица перечисляет типичные диапазоны напряжений, внутренние сопротивления и емкости для распространенных химий батарей. Эти цифры получены из даташитов производителей и служат практическим справочником для выбора компонентов.

Химия батареи и конфигурация	VBAT (заряженная)	VBAT (разряженная)	RBAT	Емкость
2 АА (щелочные), Duracell OP1500	1,7 В/элемент 3,4 В всего	0,8 В/элемент 1,6 В всего	100–250 мОм/элемент 200–500 мОм всего	2400 мАч*
3 ААА (щелочные), Panasonic LR03AD	1,55 В/элемент 4,65 В всего	0,8 В/элемент 2,4 В всего	135 мОм/элемент (ср.) 405 мОм всего (ср.)	2640 мАч
4 АА (щелочные), Energizer E91	1,5 В/элемент 6 В всего	0,8 В/элемент 3,2 В всего	150–300 мОм/элемент (свежие) 600–1200 мОм всего (свежие)	2500 мАч*
1 Li-ion (Panasonic NCR18650BF)	4,2 В	2,5 В	77 мОм*	3200 мАч
2 Li-pol (Farnell SR674361P)	4,2 В/элемент 8,4 В всего	2,75 В/элемент 5,5 В всего	160 мОм/элемент 320 мОм всего	2000 мАч

*Параметры рассчитаны из других параметров даташита батареи

Таблица 1. Приблизительные параметры батарей для различных химий и конфигураций.

По мере разряда батареи V_OCV падает, в то время как R_BAT растет. Ток нагрузки (I_BAT) дополнительно снижает терминальное напряжение по формуле V_BAT = V_OCV – I_BAT·R_BAT. Рисунок 2 иллюстрирует, как эти параметры эволюционируют во времени для типичных щелочных и литий-ионных элементов.

Рисунок 2. Кривые VBAT и RBAT для щелочных (а) и литий-ионных (б) элементов под переменными токами нагрузки, основанные на химических данных TI.

Глубина разряда (DoD) выражает, насколько далеко батарея использована относительно её полной емкости (мАч). 100% DoD означает полностью разряженную батарею.

Проектирование для широкого диапазона V_BAT

Поскольку V_BAT смещается с DoD и I_BAT, номинал питательной шины драйвера двигателя должен покрывать весь спектр ожидаемых напряжений. Например, драйвер, специфицированный для 24-В систем, может требовать минимальную шину 4,5 В — блокировку по низкому напряжению, которая может сработать до полного разряда четырехэлементной щелочной батареи.

Драйверы DRV8210 и DRV8212 от Texas Instruments спроектированы для входов 1,65–11 В, комфортно покрывающие двухэлементный Li-ion стек (до 8,4 В) и почти разряженную двухэлементную щелочную батарею (до 1,65 В). Выбор драйвера с подходящим оконем напряжения устраняет необходимость в дополнительных повышающих преобразователях и гарантирует, что двигатель может работать на протяжении всей жизни батареи.

Проектирование для низкопотребляющего режима ожидания

В большинстве IoT-развертываний двигательный компонент работает лишь несколько раз в день или даже раз в год. Ток ожидания системы поэтому доминирует в общем энергопотреблении. Снижение тока ожидания необходимо для длительной жизни батареи.

Стратегии включают:

• Включение ключей нагрузки для отключения периферийных устройств в простое.
• Выбор компонентов с ультра-низким током сна — например, ток сна DRV8210/DRV8212 < 84,5 нА.
• Устранение делителей напряжения, излишне смещающих логические выводы, и использование подтягивающих резисторов к 0 В, когда устройство в простое.

Управление большими токами для снижения энергопотребления и увеличения срока службы

Высокие пиковые токи, особенно при пуске и блокировке ротора двигателя, расходуют энергию и могут спровоцировать блокировку по низкому заряду из-за падения напряжения на R_BAT. Рисунок 3 показывает типичные профили пускового и блокировочного токов.

Рисунок 3. Пусковой и блокировочный токи.

Две техники смягчают эти пики:

1. Мягкий пуск (Soft-start). Постепенное нарастание коэффициента заполнения ШИМ от 0% до 100% при запуске двигателя удерживает пусковой ток — и результирующее просадание напряжения — в допустимых пределах. Рисунок 4 противопоставляет жесткий пуск (а) и мягкий пуск (б) на истощенном четырехэлементном стеке ААА с DRV8210.
2. Обнаружение блокировки (Stall detection). Шунтирующий резистор позволяет микроконтроллеру мониторить ток двигателя. Если измеренное напряжение превышает порог за определенную длительность, прошивка отключает драйвер, предотвращая длительное потребление при блокировке. Рисунок 5 показывает реализацию обнаружения блокировки, а Рисунок 6 демонстрирует снижение тока, достигнутое этим методом.

Рисунок 4. Жесткий пуск (а) vs мягкий пуск (б) на четырех истощенных ААА батареях с DRV8210.

Рисунок 5. Блок-схема обнаружения блокировки с использованием DRV8212.

Рисунок 6. Ток двигателя с обнаружением блокировки vs без.

Поскольку емкость батареи измеряется в мАч, ограничение как величины, так и длительности событий с высоким током продлевает полезную жизнь батарейного пака.

Заключение

Проектирование батарейных двигательных систем требует тщательного учета вариации напряжения, потребления в ожидании и пиковых токов. Выбирая драйвер, покрывающий диапазон напряжений батареи, внедряя ультра-низкопотребляющие режимы сна и применяя логику мягкого пуска и обнаружения блокировки, проектировщики могут значительно продлить жизнь устройств в приложениях вроде умных санитарных блоков, моторизированных штор, электронных замков и далее.

Индустриальные статьи — форма контента, позволяющая промышленным партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits способом, не подходящим для редакционного контента. Все индустриальные статьи подлежат строгим редакционным рекомендациям с намерением предложить читателям полезные новости, техническую экспертизу или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в индустриальных статьях, принадлежат партнеру и не обязательно All About Circuits или его авторам.