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在物联网设备中模拟电池的棘手任务

作者： Björn Rosqvist 2019-12-12

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工程

电源管理

电源与电路保护

如果您曾为物联网设备的电池模拟感到苦恼，请举手。我们了解您的苦恼——在电池十分靠近电子器件的情况下，构建一台设备并尽可能仿真实际成品，无疑是一项挑战。今天，我们想就这方面分享一些宝贵技巧。

如果您不愿费时通读全文，请见摘要如下：

距离越长，电阻越大——切记产品中电池通常十分靠近电子器件，而您的测试设备电缆往往较长，因而无法近距离连接。
注意大电阻——可能致命，例如线路上的瞬间冲击电流可能产生电压降，从而导致系统复位。
减小电阻方案 #1：选用短粗电缆可使电阻最小化。
减小电阻方案 #2：将一个或几个电容器直接连接至设备电压输入以储存电能。
务必慎重选择合适的电容器（最佳 ESR + 电容器容量）。
检查您的数据——减小电阻方案 #2 会影响测量结果。

找到点感觉，准备好通读全文了？太好了！那就开始吧。

距离越长，电阻越大

在实际产品中，电池（几乎）总是与电子器件近距离连接。这样的情况并非偶然——电池与负载之间的电流路径中，较短的连接线可以减小电阻。听起来不错吧？

模拟电池时，最终往往使用（较）长电线，从而产生不必要的电阻。有什么大不了？事实上，确实有影响！由于存在电缆电阻，冲击电流会产生电压降。如果压降过大，可能会导致电子器件无法正常工作。

导致冲击电流的原因是什么？

设备电源断开一段时间后，我们将面临最坏的情况。此时，电路板上电容器已完全放电，需要再次充电，因而情况相当糟糕。

产生瞬时冲击电流的最初几纳秒内，所有去耦电容器（充电之前）均相当于短路。这适用于 PCB 上分布的、从 100 nF 到更大容量的所有电容器。电容器产生的巨大涌流会在电缆、连接器、PCB 印制线等所有阻性元件中产生瞬时电压降。

切记检查电流路径上的电阻

我们该如何检查电阻？有些设备使用电量计，通过与电池串联的电阻器来测量电流。对于锂聚合物电池和锂离子电池，必须始终配有电池保护电路。如果您的设备中包含此电路，电流路径中也必须包含电阻。此外，请勿忘记电流返回路径。电流路径中所有电阻均包含在内，包括接地平面。

两种简单的减小电阻方案

为了应对上述挑战，建议您在物联网设备中模拟电池时，可采取以下安全措施：

选用短粗电缆，可使电池仿真器与器件的连接线电阻最小化（见图 1）。随附一份方便的线规尺寸表。
将一个或几个电容器直接连接至设备电源输入以储存电能。

图 1：减小电阻方案 #1：选用短粗电缆可使电阻最小化。（图片来源：Qoitech）

连接电容器可储存电能，藉此满足电路的瞬时电荷需求。换言之，电荷不必通过电源线的电阻。

示例如下：上电时，手机通常会产生 4 A 的瞬时脉冲电流。在这种情况下，务必靠近电池连接器添加一个大容量、低阻抗储能器（见图 2）。

图 2：切记靠近电池连接器添加一个大容量、低阻抗储能器。（图片来源：Qoitech）

如何选择合适的电容器

在开始之前，对于为设备选择合适的电容器，如下几点建议可供参考。务必回答以下问题：

最佳 ESR（等效串联电阻）是多少？
对于电容器，合适的 ESR 及其阻值（精确到微法）都至关重要。对于具有瞬时大电流脉冲的应用，尽量确保 ESR 较小。如需减小 ESR，可将几个电容器并联使用。随附一份电容器的 ESR 典型值表。
最佳电容器容量是多少？
其实，这项任务往往需要反复试验才能得出结果。选择容量足够大的电容器，确保您的设备可以正常上电。但是不能过大，因为电容器会作为低通滤波器，改变电流脉冲的上升时间而影响测量结果（请继续阅读以了解更多信息）。另外，务必选择漏电流最小的电容器。储能器的容量取决于所需的电能（峰值电流和时间）以及可接受的电压降，而不会导致系统复位。

关于测量结果的建议

靠近设备电压输入的电容器会影响您的测量结果。原因是电容器完全充满需要一段时间。如果使用减小电阻方案 #2，电流脉冲的上升和下降时间会更长。结果类似于在电池测量设备和设备之间串联低通滤波器。不过无须担心，如果选择合适的电容器，则唯一的测量误差只有较小的漏电流。

想要深入研究物联网设备的供电？

请参考这篇文章，了解如何借助高效电源管理系统实现电池性能最优化。此外，如果您尚未着手开始，请了解 Qoitech 的 Otii 电池工具箱！该工具可将您的 Otii Standard 从直流电源升级成为全面的电池分析器和仿真器，为现实项目提供仿真电源。

关于此作者

BjörnRosqvist 是瑞典一家初创公司 Qoitech 的硬件总工程师，Otii 就是该公司生产的新型破坏性功率分析仪。Björn 拥有瑞典林雪平大学应用物理与电子工程理学硕士学位。他一直在电力电子、汽车和电信领域工作，同时拥有大公司和初创企业经历。在过去 13 年里，他一直从事消费电子产品的设计和验证工作。