【Maker電子學】採用鈕扣型鋰電池的供電設計

作者:Bird

除了一般我們日常生活中,常見的三號、四號電池,以及電腦或手機的那種大大、扁扁的鋰電池以外,鈕扣型鋰電池在我們的生活中,真是一個陌生又熟悉的存在啊!今天就讓Bird帶著大家好好認識一下,這顆小小扁扁的電池吧!

鈕扣型鋰電池的小秘密

鈕扣型鋰電池其實在我們的生活中處處可見,比如在如汽車遙控器、感應鑰匙、甚至一些小型手電筒燈低功耗的攜帶式裝置中,都可以見到它們的身影。下面的這一顆,是生活中很常見的 CR2016 鈕扣型鋰電池,而 CR2016 這個編號是 IEC(國際電工委員會)所制定的,而且它其實是有跡可循的。

CR2016 鈕扣型鋰電池

C 代表它是鋰電池。事實上鋰電池有百百種,這裡的 C 代表的是負極為鋰金屬、正極為二氧化錳的鋰-錳電池,這也是最常用的一種一次性鋰電池,也就是不能充電的鋰電池。一般我們在手機或筆電中使用的可充電鋰電池,其實是鋰離子電池,與鋰金屬電池不能混爲一談。

R 代表的是這是一個圓形(round)的電池。有些讀者可能會想問,有不是圓形的電池嗎?在標準品中其實沒有,所以這個字母有點多餘。

至於後面的數字,則代表電池的尺寸,標示方式是直徑 x 厚度,20 代表它的直徑是 20mm,16 則代表它的厚度是 1.6mm。在日常生活中最常出現的三種一次性鋰電池大概就是 CR2016,CR2025,以及 CR2032,你可以猜想到它們都是直徑 20mm,但厚度不同的大小。

爲什麽要有不同的厚度呢?因爲容量不一樣。我們來看看這些常用的鈕扣型鋰電池,它們的容量是多少:

不同規格的鈕扣型鋰電池容量

電池容量的單位是 mAh,它是電流與時間的乘積。對很多其它種類的充電電池來説,90mAh 代表它用 90mA 的電流放電時,可以連續供電一個小時;如果放電電流減半,時間就會加倍,依此類推。但對這種微型電池來説,這個單位雖然一樣,但它們沒辦法用這麽大的電流來放電。

以 CR2032 爲例,它的規格容量是 225mAh,如果用 1mA 放電,大概可以放 225 個小時沒有問題。但如果用更大的電流放電,因爲電池内阻造成的損耗,它其實沒辦法供應這麽多的電。如果用 CR2032 的最大容許放電電流 3mA 來放電,它大概只能撐 50 小時上下,換算成容量大概只有 150mAh。那其它 75mAh 的能量跑到哪去了?答案是在電池的内阻上消耗掉了,變成熱,也造成了那麽一點點的全球暖化。

在一次性鋰電池的規格書中通常可以找到像這樣的放電曲線圖:

一次性的鋰電池在不同的放電電流下,電壓的變化以及能供應的容量

從圖上可以看出來,放電電流越大,它的可用容量就越小。事實上所有的電池都有這樣的特性,只是因爲這種微型電池的内阻更大,因此對電流造成的額外損耗會特別明顯。

鋰錳電池的額定電壓是 3.0V,這代表它沒有負載時的開路端電壓。當有負載時,由於電流會在電池的内阻上造成壓降,因此它的端電壓不可能達到 3V。從上面這張圖來看,如果用 3mA 放電的話,電池在還有電時的端電壓大概只有 2.7V。因此使用這種微型電池設計電路時,要考慮放電時電池本身的壓降。事實上,大部分應用鈕扣電池的設計,它的耗電都非常小,才能設計出合理的產品使用模式。

電壓實測例子

這是我手上的一個感應式汽車鑰匙,它用一顆 CR1632 供電。我們可以很簡單地用三用電表的電流檔測量它的耗電。以這個感應鑰匙來説,它待機時的耗電只有 5uA 左右,而當使用者按下發射鍵時,耗電會增加到 1.2mA 左右。如果假設每一次按壓發射鍵的時間是 2 秒鐘,以 CR1632 的 140mAh 容量來說,就可以算出它能按幾下:

140(mAh)/ 1.2(mA) * 60(min)* 60(sec)/ 2(sec)= 210000

哇,可以按 21 萬下。當然這個計算有點過分簡單,因爲我們沒有考慮待機時的耗電。

我們來算算如果都不按它,它可以待機多久:

140(mAh) / 0.005(mA)= 28000(hours) = 1166.6(days)

等於兩萬八千個小時,差不多是三年多一點。每按一下,待機的時間就會減少八分鐘左右。

2(sec)*(1.2 / 0.005)= 480(sec) = 8(min)

三年左右的待機時間、數萬次的按壓,可以得知這是個相當合理的設計。

但如果設計這東西的工程師傻傻的在上面加了個 LED,而且讓這個 LED 每 2 秒閃一下,點亮 0.2 秒,事情就完全不一樣了。我們假設 LED 點亮時的耗電電流是 1mA,根據上面的 duty cycle 可以計算平均耗電電流是:

1(mA)* 0.2 / 2 = 0.1mA

我們再來算一次待機時間:

140(mAh) / 0.1mA = 1400(hours)= 58(days)

待機時間只剩下 58 天,也就是說使用者就算完全不按這個鑰匙,它不到兩個月就會沒電需要更換電池,這顯然是個不合理的設計。

小結

在設計這類使用微型電池供電的產品或專案時,簡單的耗電試算是必要的,以避免做出不合理的設計。希望以上的計算示範,能讓讀者們對這個容量範圍的鈕扣電池有更深入的了解,以後在應用時,也更能掌握它們的特性。

(責任編輯:葉于甄)

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在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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