許多電池供電系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用（例如智能電表、智能衛(wèi)生產(chǎn)品、可視門鈴、機(jī)器人玩具、個人衛(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)計挑戰(zhàn)，例如在電池電壓變化時可靠地操作系統(tǒng)、限度地減少待機(jī)功耗以延長系統(tǒng)壽命，以及在啟動和失速期間向電機(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)計挑戰(zhàn)。
　　電池供電電機(jī)系統(tǒng)概述

　　電機(jī)驅(qū)動器可用的電池電壓范圍取決于電池化學(xué)成分、放電深度、溫度、負(fù)載電流以及串聯(lián)或并聯(lián)的電池單元數(shù)量。雖然電池建模是一門復(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 ) 的簡單電池模型開始，如圖1所示。

　　圖 1. 具有電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)的電池供電系統(tǒng)的框圖。
　　表 1顯示了各種電池化學(xué)成分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V BAT耗盡電池的V BAT右BAT容量

　

　　*根據(jù)其他電池數(shù)據(jù)表參數(shù)計算得出的參數(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 (I BAT ) 汲取電流時，V BAT由于 R BAT兩端的電壓降而降低。

　　圖 2顯示了電池壽命期內(nèi)V OCV、R BAT和 I BAT之間的關(guān)系。
　　圖 2.基于 TI 化學(xué)識別數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，針對不同電池負(fù)載電流 (IBAT) 繪制堿性電池(a)和鋰離子電池(b)的 VBAT 和 RBAT 曲線圖。
　　放電深度 (DoD) 表示電池壽命相對于以毫安小時 (mAh) 為單位的完整電池充電容量的百分比。100% DoD 表示電池完全放電。
　　針對寬 V BAT 范圍進(jìn)行設(shè)計
　　由于 V BAT隨 DoD 和 I BAT變化，因此電機(jī)驅(qū)動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，許多專為 24V 系統(tǒng)設(shè)計的電機(jī)驅(qū)動器的電源軌為 4.5V。在串聯(lián)四個堿性電池的情況下，電源額定值為 4.5V 的電機(jī)驅(qū)動器可能會在電池完全耗盡之前使用欠壓鎖定來禁用自身。流走。
　　德州儀器 (TI) 的DRV8210和DRV8212是專為電池供電應(yīng)用而設(shè)計的電機(jī)驅(qū)動器示例，電源額定值為 1.65 V 至 11 V。這可適應(yīng)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
　　電池供電系統(tǒng)的大部分使用壽命都處于待機(jī)狀態(tài)。例如，消費者每天可能只操作電動百葉窗兩次，或者每天鎖定和解鎖電子鎖多達(dá) 20 次。燃?xì)獗砘蛩砩系拈y門每年只能啟動。為了在這些系統(tǒng)中實現(xiàn)較長的電池壽命，整個系統(tǒng)的待機(jī)電流必須較低。
　　在系統(tǒng)中外圍設(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<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。
　　管理大電流以減少能耗并延長使用壽命

　　電機(jī)產(chǎn)生的大電流會在電池系統(tǒng)中產(chǎn)生兩個問題：它們會徒勞地使用能量，并且由于 R BAT上的壓降，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)過早進(jìn)入低電量鎖定狀態(tài)。造成電機(jī)電流大的主要原因有兩個：電機(jī)啟動時的浪涌電流和堵轉(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。
　　通過增加脈寬調(diào)制占空比來實現(xiàn)電機(jī)軟啟動例程可以減輕電機(jī)啟動期間的大浪涌電流。圖 4顯示了四節(jié) AAA 電池耗盡電池組的硬啟動和軟啟動實施示例。

　　在圖 4(a)中，由于 R BAT上的壓降，電機(jī)浪涌電流導(dǎo)致硬啟動期間電池電壓下降。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)，電機(jī)將無法驅(qū)動超出初始啟動的范圍。

　　圖 4(b)顯示了使用軟啟動如何降低電源軌上的壓降，這有助于延長電池電量耗盡的系統(tǒng)的運行壽命。
　　圖 4. 使用 DRV8210 串聯(lián)的四節(jié)耗盡的 AAA 電池上的硬啟動(a)和軟啟動(b)浪涌電流。此處顯示的軟啟動例程在電機(jī)啟動期間將占空比從 0% 提升到 100%。

　　為了幫助控制失速電流，添加電流檢測電阻可以幫助微控制器檢測失速并在長時間吸收大失速電流之前禁用電機(jī)驅(qū)動器。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)末端止動件（例如智能鎖中的鎖舌完全啟動）而發(fā)生的。

　　圖 5顯示了使用 DRV8212 的系統(tǒng)實現(xiàn)示例。
　　圖 5. 使用 DRV8212 實現(xiàn)失速檢測的示例框圖。

　　微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量檢測電阻電壓，并將該電壓與固件中存儲的閾值進(jìn)行比較。如果電流測量值超過閾值一段時間，微控制器將禁用電機(jī)驅(qū)動器以節(jié)省電量。配置檢測失速的持續(xù)時間非常重要，這樣浪涌電流就不會意外觸發(fā)失速檢測。

　　圖 6顯示了實施了失速檢測的失速條件下的電機(jī)電流曲線，而圖 3顯示了沒有實施失速檢測的電機(jī)電流波形。
　　圖 6. 具有失速檢測功能的電機(jī)電流曲線。
　　電池制造商以 mAh 為單位測量電池容量，因此限制浪涌電流的大小和失速電流的持續(xù)時間有助于延長電池壽命。
　　結(jié)論
　　由于有限的電池工作壽命、電池電壓變化和大的電機(jī)電流，設(shè)計使用電機(jī)的電池供電系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性。使用額定電池電壓范圍的電機(jī)驅(qū)動器可以消除額外的升壓轉(zhuǎn)換器并適應(yīng)電池工作電壓，從而簡化了設(shè)計工作。
　　限度地減少整個系統(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)動器可以減少電池消耗的能量浪費。軟啟動和失速檢測技術(shù)還可以通過減少系統(tǒng)中大電機(jī)電流的幅度和持續(xù)時間來幫助延長電池應(yīng)用的運行壽命。