Mengoptimasi Driver Motor untuk Perangkat IoT Baterai

Menguasai Desain Driver Motor untuk Memperpanjang Umur Baterai dalam Sistem IoT

Perangkat Internet-of-Things yang didukung baterai—dari meter cerdas dan sensor sanitasi hingga kamera pintu video, mainan robotik, alat kebersihan pribadi, dan kunci elektronik—seringkali bergantung pada motor, solenoid, atau relai. Interaksi antara kimia baterai, penurunan tegangannya, dan arus motor menciptakan serangkaian tantangan desain yang unik: mempertahankan operasi yang andal saat baterai menyusut, memotong daya standby untuk memperpanjang waktu operasi, dan mengelola arus puncak yang tinggi saat startup dan stalling.

Di bawah ini adalah strategi yang terbukti yang membantu Anda menavigasi tantangan ini dan menyampaikan sistem motor baterai yang kuat dan tahan lama.

Gambaran Umum Sistem Motor yang Didukung Baterai

Tegangan yang tersedia untuk driver motor bergantung pada beberapa faktor: kimia baterai, kedalang pengurasan (DoD), suhu operasi, arus beban, dan konfigurasi seri/parallel sel. Meskipun pemodelan baterai dapat kompleks, model rangkaian terbuka sederhana menggunakan V_OCV (tegangan rangkaian terbuka), R_BAT (resistensi internal), dan V_BAT yang diukur memberi desainer titik awal yang jelas. Lihat Gambar 1 untuk diagram blok.

Gambar 1. Diagram blok sistem baterai dengan driver motor dan motor.

Tabel di bawah ini mencantumkan rentang tegangan tipis, resistensi internal, dan kapasitas untuk berbagai kimia baterai. Angka-angka ini berasal dari datasheet produsen dan memberikan referensi praktis untuk seleksi komponen.

Kimia baterai dan susunan	VBAT (charg penuh)	VBAT (habis)	RBAT	Kapasitas
2 AA (alkaline), Duracell OP1500	1,7 V/sel 3,4 V total	0,8 V/sel 1,6 V total	100–250 mΩ/sel 200–500 mΩ total	2.400 mAh*
3 AAA (alkaline), Panasonic LR03AD	1,55 V/sel 4,65 V total	0,8 V/sel 2,4 V total	135 mΩ/sel (rata-rata) 405 mΩ total (rata-rata)	2.640 mAh
4 AA (alkaline), Energizer E91	1,5 V/sel 6 V total	0,8 V/sel 3,2 V total	150–300 mΩ/sel (segarkan) 600–1.200 mΩ total (segarkan)	2.500 mAh*
1 Li-ion (Panasonic NCR18650BF)	4,2 V	2,5 V	77 mΩ*	3.200 mAh
2 Li-poly (Farnell SR674361P)	4,2 V/sel 8,4 V total	2,75 V/sel 5,5 V total	160 mΩ/sel 320 mΩ total	2.000 mAh

*Parameter dihitung dari parameter datasheet baterai lain

Tabel 1. Parameter baterai aproksimatif untuk berbagai kimia dan susunan.

Saat baterai menyusut, V_OCV jatuh sementara R_BAT naik. Arus beban (I_BAT) lebih menurunkan tegangan terminal oleh V_BAT = V_OCV – I_BAT·R_BAT. Gambar 2 mengilustrasikan bagaimana parameter ini berevolusi seiring waktu untuk sel alkaline dan lithium-ion tipis.

Gambar 2. Kurva VBAT dan RBAT untuk sel alkaline (a) dan lithium-ion (b) di bawah berbagai arus beban, berdasarkan data kimia TI.

Kedalang pengurasan (DoD) menyatakan seberapa jauh baterai telah digunakan relatif terhadap kapasitas penuhnya (mAh). DoD 100 % berarti baterai habis sepenuhnya.

Mendesain untuk Rentang V_BAT yang Luas

Karena V_BAT bergeser dengan DoD dan I_BAT, peningkatan rel daya driver motor harus mencakup seluruh spektrum tegangan yang diharapkan. Misalnya, driver yang ditentukan untuk sistem 24-V mungkin memerlukan rel minimum 4,5 V—undervoltage lockout yang dapat terpicu sebelum paket alkaline empat sel menyusut sepenuhnya.

DRV8210 dan DRV8212 Texas Instruments dirancang untuk input 1,65 V hingga 11 V, dengan nyaman mencakup tumpukan Li-ion dua sel (hingga 8,4 V) dan tumpukan alkaline dua sel yang hampir habis (turun ke 1,65 V). Memilih driver dengan jendela tegangan yang sesuai menghilangkan kebutuhan konverter boost tambahan dan memastikan motor dapat berjalan sepanjang umur baterai.

Mendesain untuk Mode Standby Daya Rendah

Dalam sebagian besar penerapan IoT, komponen bermotor hanya beroperasi beberapa kali per hari atau bahkan sekali per tahun. Arus standby sistem sehingga mendominasi konsumsi energi keseluruhan. Mengurangi daya standby esensial untuk umur baterai yang panjang.

Strategi meliputi:

• Menyematkan load switch untuk memutuskan perangkat periferal selama periode idle.
• Memilih komponen dengan arus standby ultra-rendah—misalnya, arus tidur DRV8210/DRV8212 <84,5 nA.
• Menghilangkan pembagi resistor yang secara tidak perlu bias pin logika dan menggunakan resistor pulldown yang diatur ke 0 V saat perangkat idle.

Mengelola Arus Besar untuk Mengurangi Konsumsi Energi dan Meningkatkan Umur Operasi

Arus puncak yang tinggi, terutama saat startup dan stalling motor, membuang energi dan dapat memicu lockout baterai rendah karena penurunan tegangan di seluruh R_BAT. Gambar 3 menunjukkan profil arus inrush dan stalling tipis.

Gambar 3. Arus inrush dan stalling.

Dua teknik mengurangi puncak ini:

1. Soft-start. Secara bertahap meningkatkan siklus tugas PWM dari 0 % ke 100 % selama startup motor, yang menjaga arus inrush—dan penurunan tegangan yang dihasilkan—dalam batas yang dapat ditoleransi. Gambar 4 membandingkan perilaku hard-start (a) dan soft-start (b) pada tumpukan AAA empat yang habis menggunakan DRV8210.
2. Deteksi stalling. Resistor sens memungkinkan mikrokontroler untuk memantau arus motor. Jika tegangan yang dirasakan melebihi ambang untuk durasi yang ditentukan, firmware menonaktifkan driver, mencegah pemakaian stalling yang berkepanjangan. Gambar 5 menunjukkan implementasi deteksi stalling, sementara Gambar 6 menunjukkan pengurangan arus yang dicapai.

Gambar 4. Hard-start (a) vs. soft-start (b) inrush pada empat baterai AAA yang habis dengan DRV8210.

Gambar 5. Diagram blok deteksi stalling menggunakan DRV8212.

Gambar 6. Arus motor dengan deteksi stalling vs. tanpa.

Karena kapasitas baterai dihitung dalam mAh, membatasi baik magnitudo maupun durasi peristiwa arus tinggi memperpanjang umur paket yang dapat digunakan.

Kesimpulan

Mendesain sistem motor yang didukung baterai memerlukan pertimbangan yang cermat terhadap variasi tegangan, konsumsi standby, dan arus puncak. Dengan memilih driver yang mencakup rentang tegangan baterai, menerapkan mode tidur daya ultra-rendah, dan menerapkan logika soft-start plus deteksi stalling, desainer dapat secara signifikan memperpanjang umur perangkat dalam aplikasi seperti unit sanitasi cerdas, kain jendela bermotor, kunci elektronik, dan lainnya.

Industry Articles adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang berguna dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak cocok untuk konten editorial. Semua Industry Articles tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan niat untuk menawarkan berita yang berguna, keahlian teknis, atau cerita bagi pembaca. Pandangan dan pendapat yang diekspresikan dalam Industry Articles adalah dari mitra dan tidak harus merupakan pandangan All About Circuits atau penulisnya.