江苏龙网

  1. 首页 > 资讯 > 科技 > >

物联网|能工作数十年的物联网传感器，该怎么设计？这些方案来了解一下( 七 )


图3：三种化学电池在10年和20年后的容量 ， 仅考虑自放电损耗（无负载） 。Tadiran的LiSOCl 2 XOL系列在20年后还有86%的额定容量（左）；Tadiran的LiSOCl 2 XTRA系列在10年后的容量为80% ， 而其他化学电池已降至70%（中）；LMNO 2 和碱性电池的年自放电率很高 ， 使用寿命达不到10年以上（右） 。（图片来源：Tadiran Batteries）
LiSOCL 2 自放电率低的关键原因是氯化锂(LiCl) 钝化层 ， 一旦锂与电解质接触 ， 阳极表面上就会形成该钝化层 ， 从而防止进一步的反应或容量损失 。它是一种非理想绝缘体 ， 极大地限制了自放电电流的流动 ， 但是当负载需要时 ， 则会被低电平电流部分地“推到一边” 。
理论上 ， 钝化层的厚度可以通过设计和制造来增加 ， 以进一步限制自放电 ， 但这样一来 ， 当负载电流较高时 ， 电池将无法正常供电 。因此需要取舍：要么接受低自放电率 ， 但仅限于低耗电量的应用 ， 要么进一步增加自放电率 ， 但在较高耗电量下电池的使用时间会缩短（对于给定的额定容量） 。
有些电池针对超低耗电量应用进行了优化 。请考虑Tadiran XLO系列中的TL-4902/S ? AA型LiSOCl 2 一次电池 ， 长度仅25mm ， 直径为14.5mm 。这种圆柱形电池的端电压为3.6V ， 标称容量为1.2Ah ， 工作电流为0.5mA ， 工作电压可低至2V（图4） 。输出电压不随时间而变化 ， 在较低耗电量水平下使用时间会大幅增加 ， 在10微安 (μA) 时达到100,000小时 。
图4：Tadiran的TL-4902/S LiSOCl 2 一次电池可以持续提供10μA电流100,000小时 ， 而输出电压不会降低 。（图片来源：Tadiran Batteries）
如何应对脉冲电流应用？
请注意 ， “穿透”钝化层需要数毫秒时间 ， 当负载电路需要电流时 ， 实际上会出现瞬时压降 ， 然后缓慢上升至标称输出电压 。因此 ， 为了最大限度地延长这些电池的使用寿命 ， 不应将其用于脉冲负载 ， 而应当用作连续低电流源 。
虽说如此 ， 但对于脉冲负载 ， 有一个方便实用的解决方案：将这个长寿命、连续放电、低电流电池与超级电容器结合使用 。在这种情况下 ， 电路配置如下：电池以低速率给超级电容器连续充电 ， 而超级电容器用来提供较高的脉冲电流（图5） 。实际上 ， 这种方案使用电池作为要收集的能量来源 ， 尽管这并非标准的术语用法 。
图5：设计人员可以通过一种易于管理的方式为脉冲负载获得超长持续时间的功率：使用长寿命一次电池的少量连续电流对超级电容器进行涓流充电 ， 然后使用超级电容器来支持低占空比脉冲负载 。（图片来源：Texas Instruments）
Texas Instruments的TPS62740 IC非常适合于这种配置（图6） 。该降压转换器接受2.2V至5.5V的输入电压 ， 静态电流规格为360nA ， 采用2.2微亨 (μH) 微型电感器和10微法拉 (μF) 输出电容器工作 ， 可提供高达300mA的电流 。
图6：TexasInstruments的TPS62740降压转换器允许使用电池为小型电容器充电 ， 这样设计人员便能以最佳方式利用每种储能器件的特性 。（图片来源：Texas Instruments）
在典型应用中 ， LiSOCl 2 一次电池直接连接到TPS62740 ， 并由微控制器控制；微控制器启用/禁用降压转换器 ， 调节输出电压 ， 并支持高效充电（图7） 。
图7：将TPS62740与LiSOCl 2 一次电池和电容器结合使用 ， 并由微控制器进行控制 ， 可实现一个高效率、持续时间长且以低静态电流工作的电源子系统 。（图片来源：Texas Instruments）
降压转换器的输出连接到两个限流电阻以处理启动过程 ， 这对于将超级电容器预充电至最低1.9V是必需的 。储能电容器完成预充电后 ， 开关便会导通 ， 且电流会受组合电阻的限制 。这种安排能够支持低占空比、大峰值电流负载（例如无线物联网节点） ， 而且电池寿命极长 ， 可以持续运行数十年 。
相比于利用充电电池收集能量 ， 使用一次电池有以下三个优点 ， 甚至可以附加超级电容器来支持脉冲电流缓冲：


推荐阅读


上一篇：新机发布,智能电视|OPPO 万元全家桶发布：一张图看懂

下一篇：AI人工智能|iPhone 13消息曝光，或将同时配备屏下指纹解锁和Face ID