許多電池供電系統和物聯網 （IoT） 應用程序——例如智能儀表、智能衛生產品、可視門鈴、機器人玩具、個人衛生產品和電子鎖——都包含電機、螺線管或繼電器。電池和電機物理之間的相互作用產生了一些有趣的設計挑戰，例如在電池電壓變化時可靠地運行系統，限度地減少待機功率以延長系統壽命，以及在啟動和停止期間為電機提供大電流。

在本文中，我將提供一些技巧來幫助克服這些設計挑戰。

電池供電電機系統概述

電機驅動器可用的電池電壓范圍取決于電池的化學性質、放電深度、溫度、負載電流以及串聯或并聯連接的電池單元數量。盡管電池建模是一門復雜的科學，但讓我們從使用開路電壓 （V OCV ）、電池內阻 （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. 帶有電機驅動器和電機的電池供電系統框圖。

表 1顯示了各種電池化學組成的電池電壓范圍的一些示例。

*根據其他電池數據表參數計算的參數

表 1. 各種電池化學成分和疊層的近似電池參數。

R BAT和 V OCV是 V BAT在電池壽命期間變化的關鍵因素。隨著電池電量耗盡，V OCV降低，而 R BAT增加。當負載從電池汲取電流 （I BAT ） 時，V BAT由于 R BAT上的壓降而降低。

圖 2顯示了電池壽命期間V OCV、R BAT和 I BAT之間的關系。

圖 2.基于 TI 化學識別數據庫的數據， 堿性（a）和鋰離子（b）電池在各種電池負載電流 （IBAT） 下的 VBAT 和 RBAT 圖。

放電深度 （DoD） 表示電池壽命相對于以毫安小時 （mAh） 給出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 范圍的設計

由于 V BAT隨 DoD 和 I BAT變化，電機驅動器的電源軌額定值必須適應一系列可能的電池電壓。例如，許多為 24V 系統設計的電機驅動器的電源軌為 4.5V。當四個堿性電池串聯時，具有 4.5V 電源額定值的電機驅動器可能會在電池完全充滿之前使用欠壓鎖定來禁用自身流走。

Texas Instruments （TI） 的DRV8210和DRV8212是專為電池供電應用設計的電機驅動器示例，電源額定值為 1.65 V 至 11 V。這可容納兩節鋰電池組的電壓 （8.4 V） 或幾乎放電的兩節堿性電池組 （1.65 V）。

低功耗待機模式設計

電池供電系統的大部分工作壽命都處于待機狀態。例如，消費者可能每天只操作電動百葉窗兩次，或者每天鎖定和解鎖電子鎖多達 20 次。煤氣表或水表上的閥門每年只能啟動。為了在這些系統中實現較長的電池壽命，整個系統的待機電流必須很低。

在系統外圍設備的電源軌上添加負載開關是保持低待機電流的一種方法。另一種方法是使用針對電池應用優化的低待機電流設備。DRV8210 和 DRV8212 的睡眠電流小于 84.5 nA，有助于降低系統待機電流消耗。降低系統待機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置為 0 V。

管理大電流以降低能耗并延長使用壽命

來自電機的大電流會在電池系統中產生兩個問題：它們無效率地使用能量，并且由于 R BAT上的電壓降，它們會導致系統過早進入低電量鎖定狀態。電機電流大的原因主要有兩個：電機啟動時的浪涌電流和堵轉電流。圖 3顯示了這些電流的示例。

圖 3. 浪涌電流和失速電流。

通過斜升脈寬調制占空比為電機實施軟啟動例程可以減輕電機啟動期間的大浪涌電流。圖 4顯示了四節 AAA 電池耗盡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，電機浪涌電流導致電池電壓在硬啟動期間下降。如果該系統重置或進入 3.5 V 左右的欠壓鎖定狀態，則電機將無法驅動超過初始啟動。

圖 4（b）顯示了使用軟啟動如何降低電源軌上的壓降，這有助于在電池電量耗盡的情況下延長系統的工作壽命。

圖 4. 使用 DRV8210 的四個串聯耗盡 AAA 電池的硬啟動（a）和軟啟動（b）浪涌電流。此處顯示的軟啟動例程在電機啟動期間將占空比從 0% 斜升至 100%。

為了幫助控制失速電流，添加一個電流檢測電阻器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驅動器。失速情況可能是由于意外的機械阻塞或機械負載到達終點停止（例如智能鎖中的死栓完全啟動）。

圖 5顯示了使用 DRV8212 的示例系統實現。

圖 5. 使用 DRV8212 實現失速檢測的示例框圖。

微控制器的模數轉換器測量檢測電阻器電壓并將該電壓與存儲在固件中的閾值進行比較。如果電流測量值在一定時間內超過閾值，微控制器將禁用電機驅動器以節省電力。配置檢測失速的持續時間非常重要，這樣浪涌電流就不會意外觸發失速檢測。

圖 6顯示了在實現失速檢測的失速條件下的電機電流曲線，而圖 3顯示了沒有失速檢測的電機電流波形。

圖 6. 帶失速檢測的電機電流曲線。

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時間有助于延長電池壽命。

結論

由于有限的電池工作壽命、電池電壓變化和大電機電流，設計使用電機的電池供電系統可能具有挑戰性。使用額定用于電池電壓范圍的電機驅動器可以消除額外的升壓轉換器并適應電池工作電壓，從而簡化設計工作。

限度地減少整個系統的待機電流并使用具有低功耗睡眠模式的電機驅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還可以通過降低系統中大電機電流的幅度和持續時間來幫助延長電池應用的使用壽命。