Я построил несколько прототипов и пытаюсь собрать из них некоторые данные. Пропустите две горизонтальные линии ниже, чтобы узнать больше об этом.

---

Оригинальный вопрос

Краткое содержание

Я хотел бы знать, выгодно ли добавлять конденсатор параллельно к батарейке типа «таблетка» CR2032, чтобы увеличить срок ее службы и защитить от случайных скачков тока (15 мА), если схема находится в режиме отключения питания (несколько мкА) для подавляющего большинства времени.

Над чем я работаю

Я разрабатываю датчик двери/окна с низким энергопотреблением, который передает текущее состояние (открыто/закрыто) по беспроводной сети. Устройство большую часть времени находится в режиме энергосбережения и выходит из спящего режима, когда подключенный датчик Холла обнаруживает изменение, передает данные и сразу же возвращается 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»)
• ТИ ДРВ5032ФБ
• Плоская круглая батарейка CR2032 в качестве источника 3 В.

Потребляемая мощность

Если мы посмотрим на технические характеристики устройств, то увидим, что энергопотребление в режиме пониженного энергопотребления довольно низкое.

• Atmega328P (внутренний генератор 1 МГц, WDT отключен): 0,1 мкА
• NRF24L01+: < 1 мкА
• DRV5032: 0,7 мкА (в среднем)

Всего во время сна это менее 2 мкА . Но это, конечно, только теоретически, так как развязывающие конденсаторы и др. немного добавит к нему.

С другой стороны, когда устройство активно, особенно когда идет радиопередача, потребление тока может увеличиться до 15 мА :

• Atmega328P: ~0,5 мА
• NRF24L01+: 12 мА
• DRV5032: 2 мА (пик при обнаружении)

Проблема: максимизация полезной емкости

Батареи типа «таблетка» CR2032 должны непрерывно разряжаться со скоростью, намного меньшей одного мА. Они плохо справляются со всплесками довольно высоких токов, так как это значительно снизит полезную емкость и может привести к большим перепадам напряжения.

Чтобы максимизировать доступную емкость батарейки типа «таблетка», в технической документации TI предлагается добавить в схему конденсатор (100 мкФ или даже больше), который обеспечивает большую часть мощности во время этих фаз всплеска. Шесть лет назад кто-то задавал подобный вопрос в этом сообществе ( Импульсное питание тяжелых грузов с батарейкой-таблеткой ).

Но как насчет очень низких рабочих циклов?

Оба упомянутых источника предполагают довольно «высокий» рабочий цикл 1-5%. 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 разгружает ячейку типа «таблетка» во время фаз высокого потребления тока и, таким образом, увеличивает полезную емкость, он также является источником тока утечки.

Учитывая, что я бы использовал электролитический конденсатор на 220 мкФ серии UWX от Nichicon — 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 потребления . (Модули MLCC большой емкости с диэлектриком X7R могут иметь ток утечки <0,5 мкА, но стоят более 20 долларов США за штуку.)

Вопрос в том... Так ли уж важно защищать батарейку типа «таблетка» от высоких пиков тока, даже если это приводит к тому, что средний потребляемый ток в два раза выше, чем без этой защиты? Может лучше не использовать конденсатор?

(*) Дело не столько в экономии копеек, сколько — за неимением лучшего слова — в пропорциональности: если MCU за 2 доллара и радиоприемник за 1 доллар выполняют свою работу, нет необходимости использовать чип серии NRF5 за 10+ долларов ( образцовый).

---

---

Обновлять

Сейчас я построил два прототипа устройства с аналогичными компонентами, о которых упоминал ранее. Один из них имеет электролитический конденсатор 220 мкФ, 10 В серии ULD фирмы Nichicon, другой — нет. Они питаются от батареек-таблеток от Sony , оба из одной упаковки.

К сожалению, для измерений у меня есть только цифровой мультиметр, а это означает, что измерение токов в нижнем диапазоне мкА будет неточным. Поэтому я попытался получить оценку, используя резистор 100 кОм, подключенный к источнику питания, и измерил падение напряжения, когда компоненты находились в режиме пониженного энергопотребления, что дало примерно 9 мкА без и 11 мкА с дополнительным конденсатором. Эти значения могут быть разумными, но они немного выше, чем ожидалось в отношении указанных значений в таблицах данных. (Примечание: я провел эти измерения, когда схема была еще на (довольно большой) макетной плате.)

---

Редактировать: всегда дважды проверяйте свои биты предохранителей! Подумав о том, что может быть причиной этих довольно высоких токов при отключении питания, я заметил, что не отключил обнаружение пониженного напряжения с помощью расширенного предохранителя. БПК потребляет от 10 до 35 мкА на AVR, что много, если вы хотите годами работать на 220 мАч. Теперь я остановился на более разумных 1,5 мкА без конденсатора и 3 мкА с конденсатором.

(Да, поворот БПК может быть плохим, но а) функциональность этих устройств не критична, б) все компоненты могут работать при напряжении ниже 2В, после чего батарейка типа «таблетка» давно пора заменить и в ) Я постоянно контролирую напряжение удаленно и могу установить определенный порог (скажем, 2,2 В), когда система должна отправить мне push-уведомление с напоминанием о скорой замене батареи.)

---

В любом случае, я измеряю напряжение с помощью внутреннего эталона Atmega 1,1 В и передаю это значение по радио всякий раз, когда окно открывается или закрывается, и сохраняю его в базе данных. Чтобы убедиться, что эти показания точны, я также буду регулярно измерять напряжение вручную с помощью цифрового мультиметра.

Глядя на предполагаемое время автономной работы сложно, пока не известны фактические токи отключения питания. Если мы предположим, что измеренные значения от 9 до 11 мкА верны, я могу ожидать ~ 2 года для обоих устройств. (Расчет при токе 12 мА при активности в течение 100 мс один раз в час при емкости аккумулятора ~185 мАч (220 мАч по техпаспорту - 15%). указано в спецификациях (2 мкА без конденсатора; 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 на то, полезен ли конденсатор или нет в моем конкретном случае.

Но все же, не стесняйтесь делиться своим опытом, если вы уже прошли через это или вам есть что добавить.

Я полагаю, что тем временем я продолжу разработку версии этого проекта для печатной платы с учетом дополнительного конденсатора — я все еще могу решить не припаивать его впоследствии.