棘手的 IoT 裝置電池模擬任務

如果您曾在模擬 IoT 裝置的電池上吃過苦頭，請舉個手吧。我們已聽到您的心聲 – 要建立一個跟成品一樣真實、而且電池相當靠近電子元件的環境，絕對是一項挑戰。今天我們要分享一些如何成功的寶貴秘訣。

本文較長，若您趕時間，請看以下摘要：

• 距離越長，電阻值越高 – 請記住，產品裡的電池會非常靠近電子元件，而您的測試設置很可能使用較長的纜線，而無法達成這種近距離連線。
• 當心高電阻值 – 這可能發生毀滅性災害，例如當突發的電流激增在電線上造成壓降，將導致系統進入重置。
• 電阻問題解法 1：選擇短而粗的纜線，將電阻值降到最低。
• 電阻問題解法 2：將一個或多個電容直接連接到元件的電壓輸入端，提供儲能來源。
• 切記仔細選擇合適的電容 (最佳的 ESR + 電容大小)。
• 檢查您的資料 – 電阻問題解法 2 將影響您的測量結果。

有興趣了嗎？想閱讀全文嗎？太好了！讓我們繼續吧。

距離越長，電阻值越高

在真實產品裡，電池 (幾乎) 總是緊鄰電子元件。這樣的安排並非偶然，較短的接線會讓電池和負載間電流路徑的電阻值變小。聽起來很有道理吧？

當我們模擬電池時，往往會使用較長的電線，產生不必要的電阻值。這算大問題嗎？事實的確如此！電流激增會因為纜線的電阻而產生壓降。壓降過大時，可能會導致電子元件無法正常工作。

是什麼原因造成電流激增？

當元件斷開供應電壓一段時間後，我們將會面臨最糟的情況。這種狀況會釀成災害，因為電路板上的電容變空，需要再次充滿電能。

在突發的電流激增的前幾奈秒內，所有解耦的電容 (在充電之前) 都會起到短路作用。是的，這種情況會發生在 PCB 的所有電容上，從 100 nF 到更大的電容，無一例外。這些電容會導致巨大的湧入電流，而這會在所有沿路的電阻性元件 (即纜線、連接器、PCB 走線) 中產生瞬間壓降。

切記檢查電流路徑上的電阻

那要如何檢查電阻呢？有些裝置採用電量表，透過與電池串聯的電阻測量電流。鋰聚合物和鋰離子電池應始終配備電池保護電路。如果您的設置包含這個電路，則電流路徑中也會包含電阻。 此外，別忘了電流的返回路徑。路徑中的所有電阻都應算在內，包括接地面。

兩種簡易的電阻問題解法

要避開上述難題，我們建議您模擬 IoT 裝置的電池時，採取下列安全措施：

1. 選擇短而粗的纜線，將電池模擬器與元件之間的電線電阻值降到最低 (請見圖 1)。請參閱這個實用的線規尺寸表。
2. 將一個或多個電容直接連接到元件的電源輸入端，提供儲能來源。

圖 1：電阻問題解法 1：選擇短而粗的纜線，將電阻值降到最低。(圖片來源：Qoitech)

連接電容可建立電荷儲存區，供應電路的局部瞬間電荷需求。換句話說，電荷不需要流經電源線的電阻。

讓我們來看一個例子：在電源啟動期間，行動電話在一次短脈衝下可輕鬆耗用 4 A 的電流。在這種情況下，務必要在電池連接器附近建立大型的低電阻儲能區 (請見圖 2)。

圖 2：切記在電池連接器的附近建立大型的低電阻儲能區。(圖片來源：Qoitech)

如何選擇合適的電容

在開始之前，我們想說說如何為裝置選擇合適的電容。請務必問自己以下幾個問題：

1. 最佳的等效串聯電阻 (ESR) 是多少？
   電容的正確 ESR 搭配電容的微法拉值至關重要。對於電流突衝較短且較高的應用來說，您需要較低的 ESR。如果您需要降低 ESR，則可使用多個並聯的電容。請參閱這個包含 ESR 電容典型值的表格。
2. 最佳的電容大小是多少？
   坦白說，要找到這個答案通常需要反覆進行嘗試。請選擇夠大的電容，以確保元件可正確啟動。但也不要太大，原因是電容會充當低通濾波器，改變電流脈衝的上升時間並影響測量值 (請繼續閱讀，以瞭解詳情)。另外，請務必選擇漏電最少的電容。儲存區的大小需視所需的能源供應 (峰值電流和時間) 及可接受的壓降而定，且不會讓系統進入重置。

淺談測量

在裝置的電壓輸入端附近放置電容會影響測量值。原因在於電容需要充滿電能，而這需要時間。當您採用電阻問題解法 2 時，電流脈衝的上升時間和下降時間會較慢。結果就類似於在電池測量設備和元件之間串聯一個低通濾波器。但是不用擔心，只要使用合適的電容，測量誤差將僅僅是電容的少量漏電流。

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