在電(diàn)池供電(diàn)的物(wù)联网系统中驱动電(diàn)机

许多(duō)電(diàn)池供電(diàn)系统和物(wù)联网 (IoT) 应用(yòng)程序（例如智能(néng)電(diàn)表、智能(néng)卫生产品、可(kě)视门铃、机器人玩具、个人卫生产品和電(diàn)子锁）都包含電(diàn)机、螺線(xiàn)管或继電(diàn)器。電(diàn)池和電(diàn)机物(wù)理(lǐ)之间的相互作用(yòng)产生了一些有(yǒu)趣的设计挑战，例如随着電(diàn)池電(diàn)压的变化可(kě)靠地运行系统、最小(xiǎo)化待机功耗以延長(cháng)系统寿命以及在启动和停转期间向電(diàn)机提供大電(diàn)流。

電(diàn)池供電(diàn)電(diàn)机系统概述

電(diàn)机驱动器可(kě)用(yòng)的電(diàn)池電(diàn)压范围取决于電(diàn)池化學(xué)成分(fēn)、放電(diàn)深度、温度、负载電(diàn)流以及串联或并联的電(diàn)池单元数量。虽然電(diàn)池建模是一门复杂的科(kē)學(xué)，但让我们从使用(yòng)开路電(diàn)压 (V OCV )、電(diàn)池内部電(diàn)阻 (R BAT ) 和電(diàn)池端電(diàn)压 (V BAT )的简单電(diàn)池模型开始，如图 1所示。

图 1. 带有(yǒu)電(diàn)机驱动器和電(diàn)机的電(diàn)池供電(diàn)系统框图。 

表 1显示了各种電(diàn)池化學(xué)成分(fēn)的電(diàn)池電(diàn)压范围的一些示例。R BAT和V OCV是V BAT在電(diàn)池寿命期间发生变化的关键因素。随着電(diàn)池電(diàn)量耗尽，V OCV降低，R BAT增加。当负载从電(diàn)池汲取電(diàn)流 (I BAT ) 时，V BAT会因 R BAT两端的電(diàn)压降而降低。

*根据其他(tā)電(diàn)池数据表参数计算得出的参数

表 1. 各种電(diàn)池化學(xué)成分(fēn)和叠层的近似電(diàn)池参数。

图 2显示了整个電(diàn)池寿命期间 V OCV、R BAT和 I BAT之间的关系。放電(diàn)深度 (DoD) 表示電(diàn)池寿命相对于以毫安小(xiǎo)时 (mAh) 给出的完整電(diàn)池充電(diàn)容量的百分(fēn)比。100% DoD 代表完全放電(diàn)的電(diàn)池。

图 2. 碱性(a)和锂离子(b)電(diàn)池在各种電(diàn)池负载電(diàn)流 (IBAT)下的 VBAT 和 RBAT 图，基于 TI 化學(xué)识别数据库中的数据。

為(wèi)宽 V BAT 范围设计

因為(wèi)V BAT与國(guó)防部和我改变BAT，供给轨等级為(wèi)電(diàn)动机驱动器必须适应一定范围的可(kě)能(néng)的電(diàn)池電(diàn)压。例如，许多(duō)专為(wèi) 24V 系统设计的電(diàn)机驱动器的最低電(diàn)源轨為(wèi) 4.5V。四节碱性電(diàn)池串联后，具有(yǒu) 4.5V 最低额定電(diàn)源的電(diàn)机驱动器可(kě)能(néng)会在電(diàn)池充满之前使用(yòng)欠压锁定来禁用(yòng)自身流走。

德州仪器 (TI)的DRV8210和DRV8212是為(wèi)電(diàn)池供電(diàn)应用(yòng)设计的電(diàn)机驱动器示例，電(diàn)源额定值為(wèi) 1.65 V 至 11 V。这可(kě)适应两节锂電(diàn)池组 (8.4 V) 或几乎放電(diàn)的两节碱性電(diàn)池组 (1.65 V)。

低功耗待机模式设计

電(diàn)池供電(diàn)系统的大部分(fēn)工作寿命都处于待机状态。例如，消费者每天可(kě)能(néng)只操作電(diàn)动百叶窗两次，或者每天锁定和解锁電(diàn)子锁多(duō)达 20 次。燃气表或水表上的阀门每年只能(néng)启动一次。為(wèi)了在这些系统中实现较長(cháng)的電(diàn)池寿命，整个系统的待机電(diàn)流必须很(hěn)低。

在系统外围设备的電(diàn)源轨上添加负载开关是保持低待机電(diàn)流的一种方法。另一种方法是使用(yòng)针对電(diàn)池应用(yòng)优化的低待机電(diàn)流设备。DRV8210 和 DRV8212 的睡眠電(diàn)流 <84.5 nA，有(yǒu)助于降低系统待机電(diàn)流消耗。降低系统待机電(diàn)流的其他(tā)方法是取消電(diàn)阻分(fēn)压器，并在不工作时将带有(yǒu)下拉電(diàn)阻的器件逻辑引脚设置為(wèi) 0 V。

管理(lǐ)大電(diàn)流以降低能(néng)耗并延長(cháng)使用(yòng)寿命

来自電(diàn)机的大電(diàn)流在電(diàn)池系统中造成两个问题：它们无效率地使用(yòng)能(néng)量，并且由于 R BAT上的電(diàn)压降，它们可(kě)能(néng)导致系统过早进入低電(diàn)池锁定状态。電(diàn)机電(diàn)流过大的原因主要有(yǒu)两个：電(diàn)机启动时的浪涌電(diàn)流和堵转電(diàn)流。图 3显示了这些電(diàn)流的示例。

图 3. 浪涌電(diàn)流和失速電(diàn)流。

通过增加脉宽调制占空比来实现電(diàn)机的软启动程序可(kě)以减轻電(diàn)机启动期间的大浪涌電(diàn)流。图 4显示了四节 AAA 電(diàn)池耗尽堆栈的硬启动和软启动实施示例。

在图 4(a) 中，由于 R BAT上的電(diàn)压降，電(diàn)机浪涌電(diàn)流导致電(diàn)池電(diàn)压在硬启动期间下降。如果该系统复位或进入 3.5 V 左右的欠压锁定状态，電(diàn)机将无法在初始启动后继续驱动。

图 4(b)显示了使用(yòng)软启动如何导致電(diàn)源轨上的压降较低，这有(yǒu)助于在電(diàn)池電(diàn)量耗尽的系统中实现更長(cháng)的工作寿命。

图4. 硬的（a）和软启动（b）中在使用(yòng)DRV8210系列四个耗尽AAA電(diàn)池的浪涌電(diàn)流。此处显示的软启动程序在電(diàn)机启动期间将占空比从 0% 斜升至 100%。

為(wèi)了帮助控制堵转電(diàn)流，添加一个電(diàn)流检测電(diàn)阻器可(kě)以帮助微控制器检测堵转并在長(cháng)时间吸收大堵转電(diàn)流之前禁用(yòng)電(diàn)机驱动器。失速情况可(kě)能(néng)是由于意外的机械阻塞或机械负载到达终点挡块（例如智能(néng)锁中的锁舌完全启动）而发生的。

图 5显示了使用(yòng) DRV8212 的示例系统实现。微控制器的模数转换器测量检测電(diàn)阻器電(diàn)压并将该電(diàn)压与存储在固件中的阈值进行比较。如果電(diàn)流测量值在一定时间内超过阈值，微控制器将禁用(yòng)電(diàn)机驱动器以节省功率。配置检测失速的持续时间很(hěn)重要，这样浪涌電(diàn)流就不会意外触发失速检测。

图 5. 使用(yòng) DRV8212 的停顿检测实施示例框图。

图 6显示了在实施了堵转检测的堵转条件下的電(diàn)机電(diàn)流曲線(xiàn)，而图 3显示了未进行堵转检测的電(diàn)机電(diàn)流波形。

图 6. 带有(yǒu)堵转检测的電(diàn)机電(diàn)流曲線(xiàn)。

電(diàn)池制造商(shāng)以 mAh 為(wèi)单位测量電(diàn)池容量，因此限制浪涌電(diàn)流的大小(xiǎo)和堵转電(diàn)流的持续时间有(yǒu)助于延長(cháng)電(diàn)池寿命。

由于有(yǒu)限的電(diàn)池工作寿命、電(diàn)池電(diàn)压变化和大電(diàn)机電(diàn)流，设计使用(yòng)電(diàn)机的電(diàn)池供電(diàn)系统可(kě)能(néng)具有(yǒu)挑战性。使用(yòng)额定為(wèi)電(diàn)池電(diàn)压范围的電(diàn)机驱动器，通过消除额外的升压转换器并适应最小(xiǎo)電(diàn)池工作電(diàn)压来简化设计工作。

最小(xiǎo)化整个系统待机電(diàn)流并使用(yòng)具有(yǒu)低功耗睡眠模式的電(diàn)机驱动器可(kě)减少从電(diàn)池中消耗的能(néng)量。软启动和失速检测技术还可(kě)以通过减少系统中大電(diàn)机電(diàn)流的幅度和持续时间来帮助延長(cháng)電(diàn)池应用(yòng)的工作寿命。

通过使用(yòng)这些技术，系统设计人员可(kě)以延長(cháng)電(diàn)池供電(diàn)系统的使用(yòng)寿命，例如智能(néng)卫生产品、電(diàn)动百叶窗、電(diàn)子智能(néng)锁等。