Det inte helt enkla ingreppet att emulera ett batteri i en IoT-enhet

Upp med händerna alla som någon gång har kämpat med batteriemulering i en IoT-enhet. Ja, vi tänkte väl det! Att generera en uppställning som är lika realistisk som slutprodukten med batteriet nära elektroniken är en riktig utmaning. I den här artikeln vill vi dela med oss av några tips på hur du kan lyckas med detta.

Vi börjar med en kortare sammanfattning:

• Ju längre avstånd desto större resistans – kom ihåg att produktens batteri är placerat mycket nära elektroniken, men att din provuppställning sannolikt har mycket längre kablar som förhindrar denna nära anslutning.
• Se upp för hög resistans – det kan ställa till stora problem, till exempel när en plötslig strömstöt orsakar ett spänningsfall i ledningarna och nollställer hela systemet.
• Resistansknep 1: Minimera motståndet genom att välja korta och tjocka kablar.
• Resistansknep 2: Använd en extra energikälla (anslut en eller flera kondensatorer direkt till enhetens spänningsingång).
• Försäkra dig om att du väljer rätt kondensator (optimal storlek för ESR + kondensator).
• Kontrollera dina data – resistansknep 2 påverkar dina mätresultat.

Då var vi färdiga med den korta sammanfattningen och fortsätter på en lite mer ingående nivå. Har du lite tid över? Toppen! Då börjar vi med följande faktum.

Ju längre avstånd desto högre resistans.

I verkliga produkter är batteriet (nästan) alltid anslutet nära elektroniken. Denna uppställning är ingen slump – korta ledningar ger låg resistans för strömbanan mellan batteriet och lasten. Det låter väl logiskt?

När vi ska simulera ett batteri blir resultatet ofta användning av långa ledningar som genererar oönskad resistans. Är det så farligt då? Ja, det är det faktiskt! Strömstöten genererar spänningsfall på grund av resistansen i kablarna. Vid stora spänningsfall kan elektroniken påverkas negativt.

Men vad är det som orsakar strömstötar?

När spänningsmatningen till en enhet bryts under en period uppstår stora problem. Det allvarliga är att kortets kondensatorer är tomma och måste laddas med energi igen.

Under den första nanosekunden av en plötslig strömstöt fungerar alla frånkopplingskondensatorer som kortslutningar – innan de laddas upp. Ja, detta gäller alla kondensatorer på kretskortet, från 100 nF och uppåt. Kondensatorerna orsakar en enorm inrusningsström som genererar ett momentant spänningsfall i alla resistiva komponenter som råkar vara i vägen, dvs. kablar, kontaktdon, kretskortsspår.

Kom ihåg att kontrollera om det finns resistans i strömbanan.

Hur gör man för att leta efter resistans då? Vissa enheter använder en bränslemätare där strömmen mäts över ett motstånd som är seriekopplat med batteriet. Litiumpolymerbatterier och litiumjonbatterier ska alltid ha en batteriskyddskrets. Om din uppställning har denna krets har den även en resistans i strömbanan.Och glöm inte returströmmens bana! Alla resistanser i strömbanan räknas, inklusive jordplan.

Två enkla resistansknep

För att undvika utmaningarna ovan rekommenderar vi att du vidtar följande säkerhetsåtgärder när du emulerar ett batteri i en IoT-enhet:

1. Välj korta och tjocka kablar för att minimera resistansen i ledningar som är anslutna från batteriemulatorn till din enhet (se figur 1). Ta en titt på den här praktiska tabellen för ledningsdimensioner.
2. Anslut en extra energikälla (en eller flera kondensatorer) direkt till enhetens strömförsörjningsingång.

Figur 1: Resistansknep 1: Minimera motståndet genom att välja korta och tjocka kablar. (Bildkälla: Qoitech)

Genom att ansluta kondensatorer skapas en laddningsreserv som försörjer kretsens momentana laddningskrav lokalt. Laddningen måste med andra ord inte passera genom den resistans som strömförsörjningsledningar utgör.

Vi tar ett exempel: Det är inte ovanligt att en mobiltelefon förbrukar 4 A i en kort puls under start. I detta fall är det viktigt att generera en stor energireserv med låg resistans nära batterikontakten (se figur 2).

Figur 2: Kom ihåg att använda en stor energireserv med låg resistans nära batterikontakten. (Bildkälla: Qoitech)

Välja rätt kondensator(er)

Innan du börjar vill vi bara säga några ord om hur du ska välja rätt kondensator för din enhet. Ställ dig alltid de här frågorna:

1. Hur stort är ett optimalt ESR (ekvivalent seriell resistans)?
   Korrekt ESR för kondensatorn tillsammans med dess antal mikrofarad är av högsta vikt. I tillämpningar med korta, höga strömimpulser vill man ha lågt ESR. Om du behöver sänka ESR kan du använda flera parallellkopplade kondensatorer. Ta en titt på den här tabellen med typiska värden för ESR-kondensatorer.
2. Vilken är den optimala storleken för en kondensator?
   Vilken storlek som är optimal får ofta provas fram. Välj en kondensator som är tillräckligt stor för att säkerställa att enheten kan startas korrekt. Undvik emellertid att använda en för stor kondensator. Kondensatorn fungerar som ett lågpassfilter och ändrar stigtiden för strömpulserna, vilket påverkar mätresultaten (fortsätt läsa för att lära dig mer om detta). Försäkra dig också om att du väljer kondensator med minimalt läckage. Energireservens storlek varierar beroende på vilken strömförsörjning (toppström och tid) som behövs samt acceptabelt spänningsfall, utan att systemet nollställs.

Och så några ord om mätresultat

En kondensator placerad omedelbart vid enhetens spänningsingång påverkar dina mätresultat. Anledningen till det är att kondensatorn måste fyllas på med energi, vilket tar en liten stund. När du väljer resistansknep 2 är strömpulsernas stig- och falltider långsammare Resultaten liknar dem då ett lågpassfilter är seriekopplat mellan enheten och batterimätutrustningen. Men du behöver inte oroa dig! Om du använder rätt kondensatorer kommer kondensatorns lilla läckström att vara det enda mätfelet.

Vill du gå på djupet med strömförsörjning för IoT-enheter?

Ta en titt på den här artikeln om hur du med ett effektivt energisparsystem kan maximera batteriets prestanda. Och om du inte redan har gjort det måste du ta en titt på Qoitechs Otii Battery Toolbox! Med det här verktyget kan du höja din Otii-standard från strömförsörjning (DC) till en komplett batteriprofilerare och -emulator – en realistisk källa för dina projekt.