用纽扣电池对重型负载进行脉冲驱动

锂纽扣电池的额定电流消耗相当低，约为1至5 mA。同样，尽管它们允许更大的脉冲电流消耗（即，周期性的突发脉冲），但这似乎对电池容量不利（并且还可能导致脉冲期间电压下降）。

在提出纽扣电池在一般用例（例如LED或更近期的低功率无线传输）中的适用性时，我提出了这个话题，因此我没有特别的电路。

但是，请设想两种情况，一种是低占空比，另一种是要求更高的情况：

• 情况A：负载每25秒消耗25 mA电流，持续25毫秒。
• 情况B：每1秒钟负载一次消耗50 mA电流，持续100毫秒。

我对是否可以将基于电容器的储存器应用于（从而是否明智）在纽扣电池上方运行任一脉冲抽取情况的分析感兴趣。

注意1：在这两种情况下，我都在考虑币形电池-> 3.3V升压调节器-> LOAD [微控制器+带有串联电阻的LED +无线模块+等]的一般情况。并且Cap / Supercap与负载电源平行。

注意2：我知道有人可以使用锂离子/锂聚合物电池，但它们的自放电率较高（无论是由于化学性质还是由于其保护电路而引起的），因此对于无线网络而言，它们可能不是理想的选择温度记录器，每小时发送一次。

相关文档：以下数据表显示了各种信息，包括脉冲放电特性，工作电压与负载的关系等：

1. 劲量CR2032数据表
2. Panasonic CR2032资料表
3. 索尼CR2032数据表
4. Maxell CR2032数据表

此外，以下文档讨论了有关使用纽扣电池运行较大负载（峰值电流汲取数十毫安量级）的一些经验评估/定性讨论：

1. TI应用笔记：纽扣电池和峰值电流消耗

2. Nordic Semiconductor应用笔记：高脉冲耗电对CR2032纽扣电池容量的影响

3. 飞思卡尔应用笔记：纽扣电池对ZigBee应用的低功耗考虑

4. Jennic应用笔记：在无线PAN中使用纽扣电池

计算很简单。电容器的尺寸只是一个问题，即在脉冲持续时间内可以承受多少电压降。来自电池的平均电流是占空比的函数。

ΔV= I×Δt/ C

求解C得到：

C = I×Δt/ΔV

假设您可以允许ΔV= 0.1V。对于您的第一个示例，它可以做到：

C = 25 mA×25毫秒/0.1 V = 6.25 mF

平均电流消耗为25 mA * 25 ms / 2.5 s = 0.25 mA。

对于第二个示例，数字计算得出：

C = 50 mA×100毫秒/0.1 V = 50 mF

平均电流= 50 mA * 100 ms / 1.0 s = 5 mA。

并联电容器将是合适的，但前提是您必须谨慎选择。

如@stevenvh所述，与负载并联的电容器适用于脉冲负载。电容器的重要特性（除了电容C）是绝缘电阻（IR）。在脉冲之间等待时，绝缘电阻决定了电容器电荷的泄漏。

$$\mathrm{IR}_\mathrm{X5R}\cdot C = 50~\Omega\cdot\mathrm{F}$$ $$\mathrm{IR}_\mathrm{X5R} = 50~\Omega\cdot\mathrm{F}/C = \frac{50}{1000\cdot 10^{-6}} = 50~\mathrm{k}\Omega$$

在3 V电压下，您将有60μA的泄漏电流，这与负载的平均电流消耗相当。

$$\mathrm{IR}_\mathrm{NP0}\cdot C = 500~\Omega\cdot\mathrm{F}$$

乍一看，情况A不会给我们带来麻烦（但请稍等！）。封底计算：占空比仅为1％，因此必须通过250 µA充电电流来补偿25 mA。这是针对恒定电流的，它随时间线性变化电容器电压。

$C = \dfrac{t_1 \times I_1}{\Delta V} = \dfrac{25 ms \times 25 mA}{\Delta V} = \dfrac{625 \mu C}{\Delta V}$

$C = \dfrac{t_2 \times I_2}{\Delta V} = \dfrac{(2.5 s - 25 ms) \times 253 \mu A}{\Delta V} = \dfrac{625 \mu C}{\Delta V}$

$C$

但是在大多数实际应用中，电流不会恒定，并且通过电阻器对电容器进行充电/放电将呈指数级增长。电容器的3 V和LED的2 V之间只有1 V的差，并且您不希望在25 ms结束之前将电容器的压降过大。并不是说褪色会如此明显，但平均亮度会如此。因此，假设在25 ms内允许的最大200 mV压降将意味着：

$(3 V - 2 V) \times e^{\left(\dfrac{-25 ms}{R C}\right)} + 2 V = 2.8 V$

$R C$

为了充电，我们必须设置一个终止电压。如果我们想将其充满至3 V，则将花费无限的时间。因此，如果将目标设置为3 V的99％，我们可以写一个类似的方程式：

$(3 V- 2.8 V) \times e^{\dfrac{-(2.5 s-25 ms)}{R C}} = 3 V \times 1 \%$

$R C$

$R C$$R$

对于带有LED的串联电阻，我们可以计算

$R_1 = \dfrac{2.9 V - 2 V}{25 mA} = 36 \Omega$

2.9 V是放电期间的平均电压，这使我们能够计算平均电流。起始电流将为27.5 mA，但这不会成为问题。我仅以3 V至2.8 V之间的平均值计算了2.9 V，但这没关系，在这短时间内，您可以假定放电几乎是线性的。（我只是用放电曲线的积分进行了计算，得出的平均值为2.896 V，这证实了这一点；误差仅为0.13。）

$R_1 C$$R_1$$C$

$C = \dfrac{0.11 s}{36 \Omega} = 3100 \mu F$

现在我们也可以找到充电电阻：

$R_2 = \dfrac{1.30 s}{3100 \mu F} = 420\Omega$

请注意，电容与我们的恒定电流充电和放电相同。这是因为短路放电可以很好地近似为线性，就像我们之前看到的一样，并且我也对这些值进行了四舍五入。

为您的应用选择合适尺寸的电池和供应商，并了解当超过额定负载时，容量损失会下降很多，这一点很重要。他们需要针对您的工作温度提供容量与负载电阻的关系。如果未给出，则在额定截止电压和负载下计算电池的ESR。

请记住，初始ESR要小得多，例如10％的开孔ESR，并且从23'C到0'C的温度，其ESR也从寒冷温度下降近3倍。它们意味着您的容量减少。

负载ESR随着占空比（df）的增加而增加ESR = V / I * 1 / df
在A和B两种情况下，df均为2.ms/2.5s = 0.01（1％）

让我们从这些值开始，而忽略电池的ESR。

• 情况A，3V @ 25mA，1％df ESR = 12kΩ（现在假设是线性的）
• 情况B，3V @ 50mA，1％df ESR = 6kΩ（“”）

您的Vmin或法规规范。将大大影响使用寿命，降低额定容量。许多供应商使用33％到50％，您可能需要10％到20％。

请注意，在消耗2 / 3rd后，电池的ESR图会随着容量损失而急剧上升。在其容量寿命内，它提高了近1个数量级。（5.5Ω〜45Ω）

电池容量（以mAh为单位）与电池ESR成反比。您可以根据额定负载电阻和EOL电压进行估算。

据我了解，脉冲负载不会损害电池容量，而是会导致ESR接近负载ESR的任何因素。显然，您的监管规范确定了电池Rs可以接近负载的ESR的程度。

直观地知道，如果截止电压为50％或1.5V，则截止ESR等于负载电阻。如果指定的切口为2V，则额定负载电阻必须为电池ESR的2倍，以提供2/3的切口点。

因此，如果切口为90％（从3V下降10％），则需要确保在切口额定电压下，负载ESR为该电池的ESR的9倍，然后按最坏情况下的温度降低。

如果在该联络点降低了负载，则可能可以挽救一些延长的时间，否则您可能会通过增加传输之间的时间间隔来提高负载ESR，从而造成损失。

大电容仅有助于一次传输，而不是每隔几秒钟@ 1％。

据我了解，根据您的压差容限和电池寿命规格，我怀疑您需要至少考虑CR2032。 http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686