Я создал несколько прототипов и постараюсь собрать из них данные. Пропустите две горизонтальные линии, чтобы узнать больше об этом.
Оригинальный вопрос
Краткое содержание
Я хотел бы знать, выгодно ли добавлять конденсатор параллельно элементу монеты CR2032, чтобы увеличить его срок службы и защитить его от случайных скачков тока (15 мА), если цепь находится в режиме пониженного энергопотребления (несколько мкА) в подавляющем большинстве случаев.
Над чем я работаю
Я проектирую маломощный датчик двери / окна, который передает текущее состояние (открыто / закрыто) по беспроводной связи. Устройство будет находиться в режиме энергосбережения большую часть времени и просыпается, когда подключенный датчик эффекта Холла обнаруживает изменение, передает и немедленно переходит в спящий режим.
Чтобы сделать его максимально компактным и недорогим *, я использую следующие основные компоненты (ссылки на таблицы данных):
- ATmega328P-AU
- Радио NRF24L01 + (в качестве готового модуля «SMD»)
- TI DRV5032FB
- Монетный элемент CR2032 в качестве источника 3 В
Потребляемая мощность
Если мы посмотрим на таблицы данных устройств, энергопотребление довольно низкое, когда они находятся в режиме отключения питания.
- Atmega328P (при 1 МГц, Osc., WDT отключен): 0,1 мкА
- NRF24L01 +: <1 мкА
- DRV5032: 0,7 мкА (в среднем)
Это менее 2 мкА всего во время сна. Но это, конечно, только теоретически, так как разделительные конденсаторы и соавт. добавлю немного к этому.
С другой стороны, когда устройство активно, особенно во время передачи радиосигнала, потребление тока может увеличиться до 15 мА :
- Atmega328P: ~ 0,5 мА
- NRF24L01 +: 12 мА
- DRV5032: 2 мА (пик при измерении)
Проблема: максимизация полезной мощности
Предполагается, что монетные ячейки CR2032 непрерывно разряжаются со скоростью намного ниже одного мА. Они не очень хорошо справляются с выбросами достаточно высоких токов, поскольку это значительно снижает полезную емкость и может привести к большим падениям напряжения.
Чтобы максимизировать доступную емкость ячейки монеты, в техническом документе TI предлагается добавить в цепь конденсатор (100 мкФ или даже больше), который обеспечивает большую часть мощности во время этих фазных фаз. Шесть лет назад кто-то задал подобный вопрос в этом сообществе ( импульсные мощные грузы с монетоприемником ).
Но как насчет очень низких рабочих циклов?
Оба упомянутых источника предполагают довольно «высокий» рабочий цикл от 1 до 5%. Но как насчет датчика двери / окна, когда устройство включается только 10 или 20 раз в день, что приводит к рабочему циклу 0,001% или даже меньше?
В то время как конденсатор, кажется, освобождает ячейку монеты во время фаз высокого потребления тока и, таким образом, увеличивает полезную емкость, он также вводит источник тока утечки.
Учитывая, что я бы использовал 220 мкФ электролитический конденсатор серии Nichicon UWX - они довольно дешевы в небольших объемах и имеют высоту всего 5,4 мм - в техническом описании указан ток утечки до 3 мкА. Это примерно удвоит мой средний ток . (MLCC большой емкости с диэлектриком X7R могут иметь ток утечки <0,5 мкА, но стоимость 20+ долларов США за штуку.)
Вопрос в том ... Так ли важно защитить ячейку монеты от сильных пиков сильного тока, даже если это приводит к тому, что среднее потребление тока в два раза выше, чем без этой защиты? Мне лучше не использовать конденсатор?
(*) Речь идет не столько об экономии копеек, сколько из-за отсутствия лучшего слова - соразмерности: если 2-долларовый MCU и 1-долларовый радиоприемник работают, то нет необходимости использовать чип серии NRF5 стоимостью более 10 долларов ( в качестве примера).
Обновить
Сейчас я построил два прототипа устройства с аналогичными компонентами, как я упоминал ранее. Один из них имеет электролитическую крышку 220 мкФ, 10 В серии ULD от Nichicon, другой - нет. Они оснащены батарейками Sony от Sony , оба из одной упаковки.
К сожалению, у меня есть только цифровой мультиметр для проведения измерений, что означает, что измерение токов в нижнем диапазоне мкА не будет точным. Поэтому я попытался получить оценку с использованием резистора 100 кОм в соответствии с источником питания и измерил падение напряжения, когда компоненты находились в режиме отключения питания, что привело к примерно 9 мкА без и 11 мкА с дополнительным конденсатором. Эти значения могут быть разумными, но они несколько выше ожидаемых в отношении указанных значений в таблицах данных. (Примечание. Я провел эти измерения, пока схема находилась на (довольно большом) макете.)
Редактировать: Всегда перепроверять свои биты предохранителей! Подумав о том, что может быть причиной этих довольно высоких токов отключения, я заметил, что не отключил обнаружение отключения через расширенный предохранитель. BOD потребляет от 10 до 35 мкА на AVR, что очень много, если вы хотите годами работать на 220 мАч. Теперь я до более разумного 1,5 мкА без и 3 мкА с конденсатором.
(Да, поворот БПК может быть плохим, но а) функциональность этих устройств не критична, б) все компоненты могут работать при напряжениях ниже 2 В, и в этот момент для замены ячейки монеты не хватает, и ) Я постоянно отслеживаю напряжение и могу установить определенный порог (скажем, 2,2 В), когда система должна отправить мне push-уведомление, напоминающее мне о необходимости замены батареи в ближайшее время.)
В любом случае - я измеряю напряжение через внутреннее эталонное напряжение 1.1 В Atmega и передаю это значение по радио всякий раз, когда окно открывается или закрывается, и сохраняю его в базе данных. Чтобы проверить точность этих показаний, я также регулярно измеряю напряжение вручную с помощью цифрового мультиметра.
Рассмотреть примерный срок службы батареи сложно, пока фактические токи отключения не известны. Если мы предположим, что измеренные значения от 9 до 11 мкА верны, я могу ожидать ~ 2 года для обеих единиц. (Расчет с током 12 мА при активности в течение 100 мс один раз в час с емкостью батареи ~ 185 мАч (220 мАч согласно спецификации - 15%). Если предположить, что ток отключения питания ближе к значениям Как указано в технических паспортах (2 мкА без; 5 мкА с конденсатором), мы наблюдаем довольно большую разницу в сроке службы батареи от 4 до 9 лет.
Конечно, потребуется время, чтобы выяснить, что окажется ближе к истине. Я мог бы обновить этот вопрос / добавить ответ, как только у меня будет хотя бы указание, является ли конденсатор полезным или нет в моем конкретном случае.
Но все же, не стесняйтесь поделиться своим опытом, если вы уже прошли через это или есть что-то еще, чтобы добавить.
Полагаю, я продолжу разработку версии этого проекта для печатной платы с учетом дополнительного конденсатора - я все же могу решить не паять его потом.