Виготовлення акумулятора тривалий час у мікроконтролері

Я сподіваюся живити ATtiny85V протягом приємного тривалого часу на якомусь маленькому акумуляторі, ймовірно, на монети.

Я вивчив програмне забезпечення, і мій код керується таймером, невикористані аналогові та цифрові перетворювачі вимкнено, мікросхема працює на частоті 1 МГц і т.д. скільки струму це малює, але я сподіваюся, що я в основному його мінімізував.

Кожні кілька секунд він прокидається, проводить перевірку рівня напруги на АЦП, записує її на таран і повертається спати. Якщо він виявить, що послідовна лінія підключена, вона виводить дані.

Однак зараз я дивлюся на схему в цілому і цікавлюсь, чи є речі, які я повинен зробити, щоб зробити схему в цілому більш зручною для акумулятора?

Які основні дос і чого не потрібно, коли справа стосується проектування довготривалої (простої) схеми, де один компонент (мікроконтролер) має повторюваний, але змінний струм?

Наприклад:

• Чи великий індикатор світлодіода? Це заряджає акумулятор, коли він яскравий? Чи варто покласти на нього гігантський резистор, щоб він затьмарився, чи це просто змушує резистор використовувати акумулятор?
• Чи варто використовувати обхідні / роз'єднувальні конденсатори, щоб вирівняти поточний струм від батареї, або конденсатор просто витратить енергію акумулятора?
• Мікроконтролеру потрібно лише 1,8 В, але в мене немає батарей 1,8 В. Чи варто використовувати два батареї 1.x та надсилати на нього занадто багато напруги? Чи можна продовжити термін служби акумулятора, "не використовуючи стільки вольт"? Як це зробити?
• Чи потрібна додаткова потужність, щоб перевірити, чи штифт високий чи низький? Як, порівняно з арифметикою без використання або деякою арифметикою, чи існує багато додаткового енергоспоживання для перевірки одного з штифтів вводу / виводу GP на його стан?

Я нечітко знаю, як обчислити (і більш невиразно, як виміряти) струм, напругу, потужність, але я не дуже впевнений, яка з цих речей прирівнюється до часу автономної роботи. Чи важливе вимірювання часу роботи акумулятора в Coulombs?

У мене є ця неясна ідея, що батареї наповнені такими предметами, як:

• зарядка, як у підсилювачі
• енергія, як у ват-годинах
• потужність, як у ватах

але мені не дуже ясно, що моя схема "їсть", коли вона працює. Я прочитав неабияку кількість EE101 та підручників з фізики, але в мене справді немає досвіду роботи в лабораторії. Іншими словами, я прочитав тонну про акумулятори, але я не дуже впевнений, що це означає на практиці.

Чи резистори витрачають акумулятор? Чи конденсатори? Чи діоди? Я підозрюю, що вони все роблять, але яке з числа є важливим? Опір? Розсіювання потужності? Поточний? Напруга?

Чи є спосіб знизити напругу, не витрачаючи акумулятор? Чи є спосіб знизити напругу при збільшенні терміну служби акумулятора?

Просто випадковий список, якщо ви розмістите свою схему, можливо, буде простіше:

Камери монети 1,8 В літію дуже легко знайти, але швидше за все, ваш серійний інтерфейс потребує 3,3 В? Якщо ваш кінець прийому не матиме 1,8 В.

Струм витоку, як правило, зростає, коли напруга зростає, тому нижчий, як правило, краще. Також врахуйте коричневу точку системи та характеристики акумулятора. Характеристики "загибелі" акумулятора визначатимуться за допомогою хімії акумулятора, яку ви використовуєте. Наприклад, якщо ваш комп'ютер вимкнеться при 1,7 В, ви, можливо, захочете використовувати акумулятор більш високої напруги, оскільки при деяких батареях вихідна напруга повільно знизиться, коли батарея помиратиме. Ви отримаєте більше життя від акумулятора 3,3 В, оскільки коли він починає відмирати, його вихід буде повільно знижуватися, і ви зможете працювати аж до 1,8 В. Якщо ви використовуєте акумулятор 1,8 В, то вимкнути його буде досить швидко, оскільки акумулятор вмирає. Все це передбачає, що ваш послідовний інтерфейс або інші компоненти можуть мати широкий діапазон напруги (я знаю, що AVR може).

Світлодіод використовує велику потужність, якщо тільки ви не використовуєте світлодіод дуже низької потужності і не контролюєте його поточний малюнок, він, ймовірно, тягне набагато більше струму, ніж AVR. Якщо його просто там для налагодження, не заповнюйте його для виробництва або лише припустіть, щоб він моргав раз у раз або щось, щоб мінімізувати його вчасно, і обов'язково контролюйте його поточний розіграш.

Якщо ви можете, виберіть стан полярності / спокою свого послідовного інтерфейсу, щоб витягти якомога менше енергії, стан спокою не повинен бути енергією витягу. Якщо потрібні підтягувачі, використовуйте найбільший резистор, який дозволяє підтримувати цілісність сигналу, але мінімізуйте поточне використання. Якщо влада викликає велике занепокоєння, використовуйте сигнальну схему, яка надає перевагу бітам, які не черпають живлення. Наприклад, якщо у вас з'явилися підключення, використання протоколу, в результаті якого сигнал отримує багато 1, залишить послідовний інтерфейс у стані, який не витрачає стільки енергії більшу частину часу. Такі оптимізації доцільні лише в тому випадку, якщо ви широко використовуєте серійну шину. Якщо його дуже легко використовувати, просто переконайтесь, що стан спокою не черпає потужність.

Взагалі кажучи, ви можете припустити, що всі інструкції (читання GPIO тощо) вимагають однакової енергії. Це не зовсім так, але різниця в потужності мінімальна.

Енергоспоживання набагато більше залежить від кількості / типу периферійних пристроїв, від яких ви працюєте, та кількості часу, який мікро витрачає на активність проти сну. Таким чином, АЦП використовує більше енергії, пише EEPROM, використовуйте неабияку потужність. Зокрема, щось на кшталт EEPROM пишеться, як правило, досить великими «шматками», тому перед тим, як писати в EEPROM (якщо ви, звичайно, також використовуєте його), ви повинні накопичити якомога більше інформації. Для АЦП, який підтримує мікросхема АЦП, читається протягом 2 її сну, оскільки перетворення АЦП займає відносно тривалий час, це гарний час для сну.

Вам, мабуть, варто просто прочитати розділи про керування живленням, режимами сну та мінімізацією енергії, використовуючи в інформаційному аркуші мікроконтролера: посилання на сторінку 35 далі. Тримайте AVR у найглибшому стані сну якомога довше. Єдиним винятком з цього є те, що ви повинні врахувати час запуску та відключення. Не варто спати протягом 10 циклів, якщо пробудження займає 25 і т.д.

Чи резистори витрачають акумулятор? Чи конденсатори? Чи діоди?

Усі вони певною мірою роблять. Резистори розсіюються найбільше в більшості застосувань:

P = V * I

P = V ^ 2 / R або P = I ^ 2 * R (де V - падіння напруги на резисторі)

Діоди мають (відносно) фіксованим падінням напруги, тому розсіювання потужності майже виключно пов'язане з струмом, що проходить через діод. Наприклад, діод з падінням напруги вперед на 0,7 В, P = 0,7 * I, якщо струм рухається вперед через діод. Це спрощення курсу, і ви повинні перевірити режим роботи на основі IV діодних характеристик.

Конденсатори теоретично не повинні розсіювати будь-яку потужність, але насправді вони мають кінцевий опір серії та ненульовий струм витоку, що означає, що вони розсіюють деяку потужність, як правило, не те, про що ви повинні турбуватися при таких низьких напругах. Це, як кажуть, вибір конденсаторів з мінімальним струмом витоку та ШОЕ - це виграш потужності.

Що стосується їх використання для вирівнювання розтягування акумулятора, це насправді не допомагає для використання енергії, а більше для фільтрації. Тут також грає хімія акумуляторів, деякі хіміки стануть щасливішими з постійним малюнком, деякі краще справлятимуться з колосовим струмом.

Марк дав найкращу відповідь і вдарив по багатьох пунктах, які я збирався зробити. Я також хотів би внести свій внесок.

Використовуйте осцилоскоп з низькоомним резистором послідовно із поверненням до акумулятора, звичайним для здійснення поточних вимірювань. Поточний малюнок з мікроконтролером не є простим, і, як правило, лічильники є надто повільними, щоб дати вам хороше уявлення про те, що відбувається. Що означає "низький ом", залежить від очікуваного розіграшу струму. 1-омний резистор розвиватиме 100мВ на кожні 100 мА намальованих, і це, мабуть, занадто багато для вас. Я б спробував 10 Ом 1% або 0,5% резистор; ви побачите 100 мВ на кожні 10 мА поточного розіграшу. 18 Ом дасть вам 100 мВ на кожні 5,5 мА. Якщо ви дійсно збираєтеся з низькою потужністю, ви, можливо, зможете піти з 1 к; I = V / R: ви побачите 100mV на кожні 100uA проведеного струму. Хоч обережно; якщо ви проведете достатньо струму, то в кінцевому підсумку ви будете занадто сильно падати через шунт, і ваші вимірювання будуть вимкнені, не кажучи вже про схему, ймовірно, не вийде. :-)

З 'підключеною сферою дії, спробуйте кілька різних робочих частот для мікроконтролера. Ви можете бути здивовані, дізнавшись, що ви витрачаєте менше енергії з більшою тактовою частотою, тому що витрачаєте набагато менше часу "неспання".

Максимально усуньте підтягування / падіння. У вас не повинно бути жодного на виході, оскільки ви можете перевести їх у стан очікування. Вхідні дані повинні бути пов'язані з тим, що має сенс, використовуючи якомога більше значення, як сказав Марк.

Переконайтеся, що ваш мікроконтролер максимально відключений. Перетворіть невикористані штифти у виходи та переведіть їх у стан (високий чи низький, не має значення). Не залишайте світлодіоди увімкненими. Якщо ви можете вимкнути інші компоненти або зупинити їх годинник, зробіть це. Наприклад, спогади SPI Flash часто мають команду "вимкнення живлення", яка сприйме і без того низьку потужність і приведе її ще нижче.

Інші торкнулися аспекту напруги, і я також хотів би прокоментувати це. Ви, швидше за все, набагато краще використовувати акумулятор, якщо будете використовувати високоефективний регулятор напруги / посилення між акумулятором та ланцюгом. Регулятор буде перебувати в режимі відключення (зменшення напруги), коли рівень акумулятора буде перевищувати необхідний вам 1,8 В, і перейде в режим посилення (підвищення напруги), коли рівень акумулятора опуститься нижче 1,8 В. Це дозволить вам запустити ланцюг до тих пір, поки акумулятор не стане справді мертвим, що варте кількох відсоткових втрат ефективності, які ви отримаєте при їх використанні. Переконайтесь, що вибираєте регулятор, виходячи з його ефективності у всьому діапазоні, який ви хочете використовувати, та розміщуйте регулятор належним чином; регулятор, який може доставити 1A при 98% ефективності, ймовірно, при 60% ефективності, що забезпечує 50mA. Уважно прочитайте таблиці.

Зі схемою я рекомендую використовувати мультиметр на діапазоні мікроампер для вимірювання споживання струму. Потім, враховуючи характеристики акумулятора, ви можете розрахувати довговічність. Це не обов'язково підсилювачі / струм, оскільки акумулятор матиме різні характеристики розряду для різних навантажень. Але, це може бути корисним як наближення.

На 1 МГц я думаю, що ви будете висмоктувати трохи енергії - принаймні 100 мкА, якщо мікрофони PIC з чим порівняти. Але це буде переповнене 5 мА - 20мА, що проходить через ваш світлодіод, тому вам слід спочатку позбутися цього.

На сьогоднішній день є доступні комплекти розробок і плати, які дуже зручні для точного вимірювання струму, в деяких випадках - до діапазону нА. Якщо ви вже точно не перевіряли µCurrent Gold . Це добре для статичних вимірювань, але менше для реєстрації вимірювань у часі.

Один із способів ви все ще можете використовувати µCurrent - підключити різницький підсилювач до виходу. Потім ви можете подати це на осциліскоп або логічний аналізатор з аналоговими входами. Я написав повний посібник з гайками та болтами, я відчуваю, що це може допомогти людям з бюджету, які не мають правильних інструментів.

Дивовижно, що ви можете дізнатися не тільки з того, що напруга робить у вашій схемі, але і як вона реагує на кожен невеликий сплеск струму. При виборі технологій акумуляторної батареї та перевірки на перевірку це врятувало мою сідницю кілька разів. 😎

Усі відповіді вже мають важливі моменти. Я додам його зі свого досвіду.

Коли я розробляв пристрої, споживання яких менше 10uA, навіть менше 1uA в режимі глибокого сну, чистка дошки змінила своє значення. Колись у мене було 7 з 10 плат із очікуваним споживанням струму. Усі були однакові, і все працювало нормально. Після очищення їх в ультразвуковому очищувачі всі дошки пішли до очікуваного результату.

І нарешті, оцініть очікуване / цільове споживання, перевіривши таблиці даних усіх елементів. Якщо ви впораєтеся з ними нормально, ви досягнете своєї оцінки. Сюди входять всі невикористані штифти в мікроконтролері. Навіть якщо ви вимкнете АЦП, переконайтесь, що конфігурація штифтів під час вимкнення є найкращою залежно від зовнішнього з'єднання.