배터리로 모터 구동

스마트 계량기, 스마트 위생 제품, 비디오 초인종, 로봇 장난감, 개인 위생 제품, 전자 잠금 장치 등 많은 배터리 구동 시스템과 사물 인터넷(IoT) 애플리케이션에는 모터, 솔레노이드 또는 릴레이가 포함되어 있습니다. 배터리와 모터 물리학 간의 상호 작용은 배터리 전압 변화에 따라 시스템을 안정적으로 작동하고 대기 전력을 최소화하여 시스템 수명을 늘리며 시동 및 정지 중에 모터에 큰 전류를 공급하는 등 몇 가지 흥미로운 설계 문제를 야기합니다.

이 기사에서는 이러한 설계 문제를 극복하는 데 도움이 되는 몇 가지 팁을 제공하겠습니다.

모터 드라이버가 사용할 수 있는 배터리 전압 범위는 배터리 화학, 방전 깊이, 온도, 부하 전류 및 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 셀 수에 따라 달라집니다. 배터리 모델링은 복잡한 과학이지만 그림 1과 같이 개방 회로 전압(VOCV), 내부 배터리 저항(RBAT) 및 배터리 단자 전압(VBAT)을 사용하는 간단한 배터리 모델부터 시작하겠습니다.

표 1은 다양한 배터리 화학물질에 대한 배터리 전압 범위의 몇 가지 예를 보여줍니다.

1.7V/셀

총 3.4V

0.8V/셀

총 1.6V

100-250mΩ/셀

총 200-500mΩ

1.55V/셀

총 4.65V

0.8V/셀

총 2.4V

135mΩ/셀(평균)

총 405mΩ(평균)

1.5V/셀

6V/셀

0.8V/셀

총 3.2V

150-300mΩ/셀(신선)

총 600-1200mΩ(신선)

4.2V/셀

총 8.4V

2.75V/셀

총 5.5V

160mΩ/셀

총 320mΩ

RBAT 및 VOCV는 배터리 수명에 걸쳐 VBAT를 변화시키는 주요 요인입니다. 배터리 충전량이 고갈되면 VOCV는 감소하고 RBAT는 증가합니다. 부하가 배터리(IBAT)에서 전류를 끌어오면 RBAT 양단의 전압 강하로 인해 VBAT가 감소합니다.

그림 2는 배터리 수명 전반에 걸쳐 VOCV, RBAT 및 IBAT 간의 관계를 보여줍니다.

DoD(방전 심도)는 밀리암페어 시간(mAh) 단위로 주어진 전체 배터리 충전 용량에 대한 배터리 수명을 백분율로 나타냅니다. 100% DoD는 완전히 방전된 배터리를 나타냅니다.

VBAT는 DoD 및 IBAT에 따라 변경되므로 모터 드라이버의 공급 레일 정격은 가능한 배터리 전압 범위를 수용해야 합니다. 예를 들어, 24V 시스템용으로 설계된 많은 모터 드라이버의 최소 공급 레일은 4.5V입니다. 4개의 알카라인 배터리를 직렬로 연결하면 최소 공급 정격이 4.5V인 모터 드라이버는 배터리가 완전히 충전되기 전에 저전압 잠금을 사용하여 자체적으로 비활성화될 수 있습니다. 물을 빼다.

Texas Instruments(TI)의 DRV8210 및 DRV8212는 공급 정격이 1.65V ~ 11V인 배터리 구동식 응용 제품용으로 설계된 모터 구동기의 예입니다. 이는 2셀 리튬 배터리 스택(8.4V)의 최대 전압을 수용합니다. 거의 방전된 2셀 알카라인 배터리 스택(1.65V).

배터리 구동 시스템은 대부분의 작동 수명을 대기 상태에서 보냅니다. 예를 들어, 소비자는 전동 블라인드를 하루에 두 번만 작동하거나 전자 잠금 장치를 하루에 최대 20회 잠그고 잠금 해제할 수 있습니다. 가스 계량기나 수도 계량기의 밸브는 1년에 한 번만 작동할 수 있습니다. 이러한 시스템에서 긴 배터리 수명을 달성하려면 전체 시스템의 대기 전류가 낮아야 합니다.

시스템 주변 장치의 공급 레일에 로드 스위치를 추가하는 것은 대기 전류를 낮게 유지하는 한 가지 방법입니다. 또 다른 방법은 배터리 애플리케이션에 최적화된 대기 전류가 낮은 장치를 사용하는 것입니다. DRV8210 및 DRV8212는 84.5nA 미만의 절전 전류를 제공하여 시스템 대기 전류 소비를 줄이는 데 도움이 됩니다. 시스템 대기 전류를 줄이는 다른 방법은 저항 분배기를 제거하고 작동하지 않을 때 풀다운 저항기를 사용하여 장치 로직 핀을 0V로 설정하는 것입니다.

모터의 큰 전류는 배터리 시스템에 두 가지 문제를 야기합니다. 즉, 에너지를 비생산적으로 사용하고 RBAT의 전압 강하로 인해 시스템이 조기에 배터리 부족 잠금 상태로 들어갈 수 있습니다. 큰 모터 전류의 두 가지 주요 원인은 모터 시동 중 돌입 전류와 정지 전류입니다. 그림 3은 이러한 전류의 예를 보여줍니다.