物联网：设计基于传感器采用钮扣电池供电的设备

来源：AVNET

物联网 (IoT) 一种主流设想是将无数传感器构成网络，收集本地环境信息，将数据回传到云端服务器。这些数据可由基于传感器的应用编译、分析和共享，用于控制灌溉、管理交通拥堵、监测糖尿病患者血糖水平、以及商店货架备货量下降时自动补货等各种场合。

为将这一设想变为现实，需要工程师设计新一代微型、低维护、廉价的传感器。小巧的轻型设备要求电路相对简单，支持无线连接。随着能量收集技术的不断改进，日趋活跃的IoT传感器需要更可靠的电源。然而，由于这类传感器的体积和重量受到约束，限制了电源尺寸，因此电池容量随之减小。而这还只是设计人员面临的难度不大的挑战，IoT传感器要求电池在维护管理条件下，保持很长的使用寿命。

采用钮扣电池

移动产品设计人员具有搭建高效电路，选择节电组件，以延长电池使用寿命的经验。但设计微型电池供电的无线传感器是一种更艰巨的挑战。

不过，设计人员可借助小型可穿戴传感器原始设备制造商 (OEM) 的经验，如利用无线技术将信息发送到运动腕表的心率监视器 (HRM)。这些产品采用大量IoT传感器普遍所需的技术。最初，作为电子手表不二之选的CR2032纽扣电池 (采用锂/二氧化锰— Li/MnO2 —化学方程式)，现在已普遍选择用来为这些可穿戴传感器供电。流行的CR2032钮扣电池生产商包括金霸王 (Duracell)、Eagle Picher、劲量 (Energizer)、万胜 (Maxell)、松下 (Panasonic)、飞利浦 (Philips)、雷特威 (Rayovac) 和松柏 (Vinnic) 等。

松下的这款典型电池电量耗尽之前额定电压为3 V，标称容量225 mAh。松下建议这种电池最大持续负载电流为0.2 mA。其他厂商的研究表明，如果电池性能不严重下降的话，CR2032纽扣电池最大瞬态电流约40 mA。虽然额定容量可作为无线传感器中CR2032纽扣电池使用寿命的一个指标，但电池实际性能受许多因素影响。例如，电池额定容量225 mAh、连续工作耗电量0.2mA的条件下，提供2V或更高电压的时间约为47天。但实际上，达到这种水平的产品几乎没有。


图1: 松下CR2032钮扣电池。(图片来源: 松下电器)

三个主要因素最终决定钮扣电池可用容量 (相对于额定容量)：

· 工作温度
· 电池负载
· 电路“功能端点”(FEP)

图2显示0.19 mA负载电流条件下，温度对松下CR2032纽扣电池性能的影响。图中显示，在采用外置无线传感器的情况下，高温 (60 C) 影响不是非常明显，但低温产生的影响却很大。


图2: 温度对CR2032使用寿命的影响。(图片来源: 松下电器)

FEP由设计电压要求最高的组件决定。现代硅器件很经济，但某些芯片至少需要2.2 V才能工作。即使其余组件可以在较低电压下工作，但如果2.2 V电池是传感器工作的关键条件，那么一旦电压低于这个阈值，产品将会失去作用。

一种选择是将稳压器由线性转换器改为开关型转换器 (提升电池电压)，但这会增加成本和设计的复杂性，而且很难设计结构紧凑的传感器。如图2所示，在较宽的温度范围内，2.2 V FEP的产品使用寿命，与2 V FEP相比差别不是很大；但在不同工作条件下，这种影响会变得十分明显。

例如，无线传感器通常采用低功率无线技术，如蓝牙低能耗技术或ZigBee。这种技术采用高占空比降低平均功耗，射频电路大部分时间处于睡眠状态。然而，工作状态下，射频需要较高的电量。由于射频电路根据脉冲需求规则地顺序导通关闭，与恒定负载相比，会对电池寿命产生十分不利的影响。

图3显示CR2032钮扣电池 (电池额定容量225 mAh) 分别在10、30、50和80 mA高峰值脉冲电流条件下的放电曲线，脉冲电流周期为1ms，频率为40Hz。从图中可以看到，80 mA时，高峰值电流和高平均电流条件下，电池达到极限，有可能造成损坏。在30和10 mA更加实际的工作电流条件下，达到2 V FEP后，电池耗电量分别为180 mAh和190 mAh，请注意，FEP为2.2 V时，差别十分明显。脉冲电流为30 mA时，达到2.2 V FEP后，耗电量仅为160 mAh，相比之下，脉冲电流为10mA 时，耗电量为185 mAh。


图3: CR2032在各种脉冲峰值电流条件下的放电曲线 。(图片来源: Nordic Semiconductor)

最大化钮扣电池使用寿命

制定无线传感器设计方案时，最好从确定射频芯片数据表开始，因为这个组件是这类器件中功耗最大的一个器件。明智的做法是检查目标应用场景类似应用的平均电流和峰值电流。

除射频芯片外，工程师还应考虑加大FEP裕度，尽可能选择供电电压低的芯片，并选择峰值电流最低的器件，最大程度减小耗电量。为保持设计简单，减少材料清单 (BOM)，设计人员应选择线性稳压器，而且要考虑到只有这种稳压器可以步降输入电压，降低输出电压—输入输出差越高，稳压效率越低，对电池的影响越大。

采用电源管理系统可防止电池同时为多个大耗电量器件供电，进一步延长钮扣电池使用寿命。设计工程师应记住，任何高峰值脉冲负载—不仅射频电路负载—同样影响电池寿命。例如，LED组合、振动马达、压电蜂鸣器、LCD背光和其它组件都会产生高峰值脉冲负载。

按照典型工作模式平均电流分配“正确的”电池容量 (预测达到FEP之前特定应用的可用容量，以及有可能不同于额定容量)，可以很好地估计产品实际工作状态下电池的使用寿命。