コイン型電池によるパルス駆動の重負荷

リチウムコインセルは、1〜5 mAのオーダーのかなり低い標準電流の定格です。また、より大きなパルス電流の引き込み（つまり、周期的なバースト）が可能ですが、これはセル容量に有害であるように見えます（また、パルス中に電圧の低下を引き起こす可能性があります）。

このトピックについては、一般的な用途（LEDや最近では低電力のワイヤレス伝送など）にコインセルを適用できるかどうかに関心があるため、特定の回路については考えていません。

しかし、2つのシナリオを考えてみましょう。1つは低負荷サイクルで、もう1つはより要求の厳しいケースです。

• ケースA：負荷は、2.5秒ごとに25ミリ秒で25 mAを消費します。
• ケースB：1秒ごとに1回、負荷に100ミリ秒で50 mAが流れます。

私は、コンデンサーベースのリザーバーをコインセルから上記のパルスドローケースのいずれかに適用できるかどうかの分析に興味があります（したがって、賢明であるかどうか）。

注1：どちらの場合も、コインセル-> 3.3Vブーストレギュレータ-> LOAD [マイクロコントローラー+直列抵抗付きLED +ワイヤレスモジュール+など]の一般的な状況を考慮しています。そして、キャップ/スーパーキャップは負荷供給と平行です。

注2：Li-ion / LiPoバッテリーを使用できることは承知していますが、（化学的性質または保護回路のために）自己放電が高いため、ワイヤレスなどには理想的ではない可能性があります1時間に1回送信する温度ロガー。

関連文書：次のデータシートには、パルス放電特性、動作電圧対負荷などを含むさまざまな情報が記載されています。

1. Energizer CR2032データシート
2. Panasonic CR2032データシート
3. Sony CR2032データシート
4. Maxell CR2032データシート

さらに、以下の文書では、コインセルを使用した多少大きな負荷（ピーク電流は数十ミリアンペア）の実行に関するいくつかの経験的評価/定性的議論について説明しています。

1. TIアプリケーションノート：コインセルとピーク電流消費

2. Nordic Semiconductorアプリケーションノート：CR2032コイン型電池の容量に与える高いパルスドレインの影響

3. フリースケールアプリケーションノート：コイン電池で動作するZigBeeアプリケーションの低電力に関する考慮事項

4. Jennicアプリノート：ワイヤレスPANでのコインセルの使用

計算は簡単です。コンデンサのサイズは、パルスの持続時間全体で許容できる電圧降下の問題です。バッテリーからの平均電流は、デューティサイクルの関数です。

ΔV= I×Δt/ C

Cを解くと、以下が得られます。

C = I×Δt/ΔV

ΔV= 0.1Vを許容できると仮定しましょう。最初の例では、これは次のように機能します。

C = 25 mA×25 ms / 0.1 V = 6.25 mF

平均消費電流は25 mA * 25 ms / 2.5 s = 0.25 mAです。

2番目の例では、数値は次のようになります。

C = 50 mA×100 ms / 0.1 V = 50 mF

平均電流= 50 mA * 100 ms / 1.0 s = 5 mA。

並列コンデンサが適していますが、慎重に選択した場合のみです。

@stevenvhで説明されているように、負荷に並列のコンデンサはパルス負荷に適しています。コンデンサの重要な特性（静電容量Cを除く）は、絶縁抵抗（IR）です。絶縁抵抗は、パルス間で待機中のコンデンサからの電荷の漏れを決定します。

セラミックコンデンサのIRは高く、村田のデータシートにはhttp://www.murata.com/products/capacitor/design/data/property.htmlから入手できる情報が記載されています。それらのX5Rシリーズを用いて指定されている 千μFの並列コンデンサで構成されたことを意味し、50kΩの抵抗を有しています。 I R X 5 R = 50 Ω ⋅ F / C =

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

3 Vでは、60μAのリーク電流が発生します。これは、負荷の平均消費電流に匹敵します。

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

一見したところ、ケースAは問題を引き起こすようには見えません（しかし、待ってください！）。包絡線外計算：デューティサイクルはわずか1％であるため、25 mAは250 µAの充電電流で補正する必要があります。これは定電流の場合で、コンデンサの電圧は時間とともに直線的に変化します。

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

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

$C$

しかし、ほとんどの実際のアプリケーションでは、電流は一定ではなく、抵抗を介したコンデンサの充電/放電は指数関数的に行われます。コンデンサの3 VとLEDの2 Vの差はわずか1 Vであり、25ミリ秒が経過する前にコンデンサをあまり落とさないようにします。フェージングがそのように目立つことはありませんが、平均輝度はそうなります。したがって、最大許容値が25ミリ秒で200 mV低下すると仮定すると、次のようになります。

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

$R C$ = 0.11秒。

再充電するには、終了電圧を設定する必要があります。完全な3 Vに充電したい場合は、無限の時間がかかります。したがって、ターゲットを3 Vの99％に設定すると、同様の方程式を書くことができます。

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

$R C$

$R C$$R$

LEDの直列抵抗については、計算できます

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

2.9 Vは放電中の平均電圧であり、平均電流を計算できます。開始電流は27.5 mAになりますが、それは問題にはなりません。2.9 Vを3 Vから2.8 Vの平均として単純に計算しましたが、これはまったく問題ありません。この短時間で、放電がほぼ線形であると仮定できます。（放電曲線の積分を使用して計算を行ったところ、平均2.896 Vが得られました。これにより、誤差はわずか0.13です。）

$R_1 C$$R_1$$C$

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

そして今、充電抵抗器も見つけることができます：

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

静電容量は定電流充電および放電と同じであることに注意してください。これは、先ほど見たように、短い放電を線形に近似できるため、値を丸めたためです。

アプリケーションに適したサイズのセルとサプライヤを選択し、定格負荷を超えると容量の損失が大幅に低下することを理解することが重要です。彼らはあなたの動作温度に対して容量対負荷抵抗を供給する必要があります。与えられていない場合、定格カットアウト電圧と負荷でのバッテリーのESRを計算します。

初期ESRは10％のカットアウトESRなど、はるかに小さく、低温から23°Cから0°Cにほぼ3倍低下します。彼らはあなたの容量が減少することを意味します。

負荷ESRはデューティファクター（df）とともに増加しますESR = V / I * 1 / df
ケースAとBの両方で、dfは2.ms/2.5s = 0.01（1％）

これらの値から始めて、バッテリーのESRを無視しましょう。

• ケースA、3V @ 25mA、1％df ESR = 12kΩ（現時点では線形と仮定）
• ケースB、3V @ 50mA、1％df ESR = 6kΩ（ ""）

Vminまたは規制仕様。定格容量からの寿命の短縮に大きく影響します。多くのサプライヤは33〜50％を使用していますが、10〜20％が必要になる場合があります。

下のバッテリーのESRのグラフは、2/3が消費されると容量が失われると急激に上昇します。容量の寿命にわたってほぼ1桁上昇します。（5.5Ω〜45Ω）

mAh単位のバッテリー容量は、バッテリーのESRに反比例します。定格負荷抵抗とEOL電圧から推定できます。

私が理解していることから、パルス負荷はバッテリーの容量にダメージを与えるのではなく、負荷のESRに近づくESRを上昇させるものにダメージを与えます。明らかに、規制仕様により、バッテリーRsが負荷のESRにどれだけ接近できるかが決まります。

直観的に、カットアウト電圧が50％または1.5Vの場合、カットアウトESRは負荷抵抗に等しくなります。カットアウトが2Vで仕様化されている場合、定格負荷抵抗は2/3のカットアウトポイントを与えるためにバッテリーESRの2倍でなければなりません。

そのため、カットアウトが90％（3Vから10％低下）の場合、負荷ESRがカットアウト定格電圧でそのセルのESRの9倍になり、最悪の場合の温度でディレーティングされるようにする必要があります。

そのカットアウトポイントで負荷が減少した場合、送信間の時間間隔を長くすることで負荷ESRを上げることで失われた延長時間をいくらか節約できる可能性があります。

大きなコンデンサは1回の送信にしか役立ちませんが、1秒で数秒ごとには役立ちません。

私の見たところ、ドロップアウトの許容範囲とバッテリー寿命の仕様に応じて、CR2032を最低限考慮する必要があると思います。 http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686