为电池供电IoT设备优化电机驱动器
掌握电机驱动器设计以延长IoT系统电池寿命
电池供电的物联网设备——从智能水表、卫生传感器到视频门铃、机器人玩具、个人卫生小工具和电子门锁——常依赖电机、电磁阀或继电器。电池化学特性、电压下垂与电机电流消耗间的相互作用，产生独特设计挑战：在电池放电过程中保持可靠运行、削减待机功耗以最大化续航、管理启动和堵转时的高峰值电流。
以下是帮助您应对这些挑战、交付稳健耐用电池供电电机系统的实证策略。
电池供电电机系统概述
电机驱动器可用电压取决于多因素：电池化学成分、放电深度（DoD）、工作温度、负载电流、电池串并联配置。虽然电池建模复杂，但使用VOCV（开路电压）、RBAT（内阻）和实测VBAT的简单开路模型，给设计师清晰起点。见图1框图。
图1. 带电机驱动器和电机的电池供电系统框图。
下表列出常见电池化学成分和堆叠的典型电压范围、内阻和容量。这些数据源自制造商数据手册，为元件选择提供实用参考。
| 电池化学与堆叠 | VBAT (满电) | VBAT (耗尽) | RBAT | 容量 |
| 2节AA (碱性), Duracell OP1500 | 1.7 V/节 |
0.8 V/节 |
100–250 mΩ/节 |
2,400 mAh* |
| 3节AAA (碱性), Panasonic LR03AD | 1.55 V/节 |
0.8 V/节 |
135 mΩ/节 (平均) |
2,640 mAh |
| 4节AA (碱性), Energizer E91 | 1.5 V/节 |
0.8 V/节 |
150–300 mΩ/节 (全新) |
2,500 mAh* |
| 1节锂离子 (Panasonic NCR18650BF) | 4.2 V | 2.5 V | 77 mΩ* | 3,200 mAh |
| 2节锂聚合物 (Farnell SR674361P) | 4.2 V/节 |
2.75 V/节 |
160 mΩ/节 |
2,000 mAh |
*参数由其他电池数据手册参数计算得出
表1. 各种化学成分和堆叠的近似电池参数。
随电池放电，VOCV下降而RBAT上升。负载电流(IBAT)进一步使端电压下降VBAT = VOCV – IBAT·RBAT。图2展示典型碱性和锂离子电池这些参数随时间演变。
图2. 基于TI化学数据，不同负载电流下碱性(a)和锂离子(b)电池的VBAT和RBAT曲线。
放电深度(DoD)表示电池相对于满容量(mAh)的使用程度。100% DoD意味电池完全耗尽。
为宽VBAT范围设计
因VBAT随DoD和IBAT变化，电机驱动器供电轨额定值必须覆盖预期电压全谱。例如，标称24V系统的驱动器可能要求最低4.5V轨——欠压锁定可能在四节碱性电池完全放电前触发。
Texas Instruments DRV8210和DRV8212设计用于1.65V至11V输入，舒适覆盖两节锂离子堆叠(高达8.4V)和近耗尽两节碱性堆叠(低至1.65V)。选择电压窗口合适的驱动器，消除额外升压转换器需求，确保电机贯穿电池寿命运行。
为低功耗待机模式设计
大多数IoT部署中，电机部件每天仅运行几次甚至一年一次。系统待机电流因此主导总能耗。降低待机消耗对长电池寿命至关重要。
策略包括：
- 引入负载开关，在空闲期断开外围设备。
- 选择超低待机电流元件——例如DRV8210/DRV8212睡眠电流<84.5 nA。
- 消除不必要偏置逻辑引脚的分压电阻，器件空闲时使用下拉电阻设为0V。
管理大电流以减少能耗并延长运行寿命
高峰值电流，尤其是电机启动和堵转时，浪费能量并可能因RBAT压降触发低电池锁定。图3展示典型浪涌和堵转电流曲线。
图3. 浪涌和堵转电流。
两种技术缓解这些峰值：
- 软启动。 电机启动时逐步增加PWM占空比从0%到100%，将浪涌电流及随之而来的电压跌落控制在可容限度。图4对比使用DRV8210在耗尽四节AAA电池上硬启动(a)和软启动(b)行为。
- 堵转检测。 采样电阻让单片机监控电机电流。若感测电压超阈值持续设定时长，固件禁用驱动器，防止长时间堵转消耗。图5展示堵转检测实现，图6演示电流降低效果。
图4. 耗尽四节AAA电池上DRV8210硬启动(a)vs软启动(b)浪涌对比。
图5. 使用DRV8212堵转检测框图。
图6. 有/无堵转检测的电机电流对比。
因电池容量以mAh标称，限制高电流事件的幅度和持续时间可延长电池组可用寿命。
结论
设计电池供电电机系统要求仔细考虑电压变化、待机消耗和峰值电流。通过选择覆盖电池电压范围的驱动器、实现超低功耗睡眠模式、应用软启动加堵转检测逻辑，设计师可显著延长智能卫生设备、电动百叶窗、电子门锁等应用的设备寿命。
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