バッテリーバックアップ回路のDiとRを厳密に選定

    電子工作
    08 /27 2017
    311の時に買って使用推奨期限を過ぎた CR2032 コイン形(ボタン型)リチウム電池が10個ある。
    ただ捨てるのはもったいないなぁ。 何か使え(遊べ)ないかな~。
    でも、コイン形リチウム電池は電流流すと電圧落ちるんだよな。

    参考:CR2032の放電特性の実測
       CR2032ってどんな電池?主要メーカ7社の比較まとめ

    並列は...確かダメだよな。 充電電流量が決まっているんだったはず。
    データシートで確認してみるか。
    backupBATT01.png
    図はPanasonicの「AAA4000COL14.pdf」から引用(以下ことわりがない限り同様) 図の(2)で回路図を独立させている、やっぱり直に並列はだめか。

    あれ、バックアップ回路の逆流防止用ダイオードの選定ってこんなに面倒だったっけ。
    backupBATT02.png

    確か小電流のスイッチング・ダイオードで良かった気がするが。
    チョット調べてみるか... という訳で話しがそれる(良くあること) (成り行きの話終了)
    そんな訳で 以下、調べてみた個人的なメモです。


    逆流防止用ダイオード
    ダイオードの逆方向電流Ir=リーク(漏れ)電流によって、電源から電池への流れで充電してしまうので低リークなダイオードにする必要がある。
    温度によってリーク電流の変化が少ないものしろとなっているが一般的でない気がする。
    一般的には温度が上がるとリークが増えるが、年単位の話なので寒い時期は減るので室内で使う分には25℃での最大リーク電流で選定しても概略良いと思う。 (あくまで趣味レベルの設計で) ただ、ダイオードにばらつきがあるので何倍かマージンがあった方がよりよいとは思う。

    ダイオードで許容できる最大リーク電流は電池の許容充電電気量と使用時間から計算するとのことなのでやってみる。
    許容充電電気量は公称容量の何%かで規定されている。
    Panasonic コイン型は3% 円筒型は1%
    maxell タイプによらず1%
    SONY 2%
    一般社団法人 電池工業会 2%
    一般的には公称容量の2%と思っておけば良さそう。
    ワーストケースのmaxellの1%でCR2032(220mAh)を計算すると許容充電電気量は2.2mAh。
    電池の使用推奨期限の5年で充電する(使う)とすると
     2.2mAh/(5*365*24)=50.2nA  結構少ない。

    ダイオードの選定
    まずはダイオードの種類によるIrの傾向
    ・スイッチング・ダイオードはIrが非常に少ないし安いので基本的はこれ。
    ・ファスト(ファースト)リカバリ(FRD)もIrが少ないがやや高価なので今回の用途に使う意味はない。
    なお、FRDはスイッチング・ダイオードよりも高速にリカバリーするのでフリーホイール(フライホイール)ダイオードに向いている。
    ・ショットキーバリア(SBD)は順方向電圧 Vfが低いので使いたくなるがIrが非常に多いのでムリ。
    ・整流用はVfが高いしIrはSBDよりはましだが割と多い。
     大きくて足(リード)も太く、いいところなしなので考える必要し。
    やはり基本的にはスイッチング・ダイオードがよいだろう。

    具体的に秋月電子扱いのダイオードで、種類毎に安いもので調べてみる。
    汎用小信号高速スイッチング・ダイオード 1N4148 100V200mA(50本入) 100円
    25nA Max.(20V 25℃)実際に掛かる逆電圧は2~3Vなのでさらに減る。
    あくまで代表値なのでもっと多いものあると思うが温度が高い場所で連続して使わない限りは大丈夫だろう。
    もし、公称容量の2%まで充電OKの電池を使うならば10年でも可なレベル。

     参考:古いスイッチング・ダイオードは?
      1S1588 グラフの読み値で約2nA Typ.(3V 25℃)
      1S2076A グラフの読み値で約6nA Typ.(5V 25℃)
      それぞれ最大値は不明。
      最大を10倍まで見込んでも、まあ少なくとも趣味の範囲では使えるだろう。

    ファストリカバリ・ダイオード 200V1A ERA32-02 (20個入) 100円
     50uA Max.(200V 25℃)1000倍多い。
     120nA Typ.(50V 25℃)グラフの読み値で多い。 2~3Vなら減るだろうが不明なのでNG。

    ショットキーバリアダイオード(30V200mA) BAT43(10本入) 150円
     100uA Max.(25V 100℃)2%パルステスト
      2uA Max.(25V 50℃)グラフの読み値。2%?のパルステスト。
     2%パルステストではなく100%通電だと恐らく10倍位になる。 全然話にならないのでNG。

    という訳でやはりスイッチング・ダイオードが最適で、1N4148が使えるだろう。 Vfはそれなりに高いがバックアップ時の動作電流が少ないのでVfは最大0.5V位かと思う。

    注意:基本的には電源側の逆流防止用ダイオードもリークが少ないものにしないと、電源OFF時に電池から電源にリークし、想定以上に早く電池が無くなる。
    もしくはこの分も電池寿命(時間)の計算に入れておくか大容量の電池にする。
    また、Vfが低い方がよい、と実はこちらのダイオードの方が選定が難しい。
    →これに単純な回答はないと思う。 (でも基本的にはスイッチング・ダイオードかな)
     FETスイッチで電源切り替えする回路を内蔵したRTCはある。
     例えばこれ。 単純な回答はないという裏返しともいえる。
    細かいことを言えば電源に電解コンデンサを入れる場合はそのリーク電流も問題。 だが、普通は0.1uF程度のセラコンを入れるのでこれは無視できる。

    追記
    仮にバックアップデバイスの動作電源電圧が4.5Vまで下がる場合
    ・デバイスの論理レベルがCMOSならば5V対4.5Vでも論理レベル的には問題ない。
    ・問題なのは4.5Vのデバイスの入力に5Vが掛かって損傷やラッチアップを起こすこと。 一般的に信号入力電圧は電源電圧+0.3Vまで。
    だが、例えばEPSONのRTCでは+0.5Vまで大丈夫なものがあるのこれにすればよい。

    また、信号ピンにkΩオーダーの直列抵抗を入れてラッチアップが起きにくくする方法もある。 ラッチアップを起こすには電流も必要ということ。
    でも、I2CならばHiを与えるのはプルアップ抵抗であり普通はkΩ単位なのでこの条件を満たす。 I2CはCMOSレベルだし。

    例えばEPSONのI2C接続の RTC-8564RX-8025 は大丈夫そう。 特に設計の新しい RX-8025 は電源電圧に無関係に5.5Vまで掛けられる5Vトレラントらしい。
    なお、秋月のピッチ変換基板付のモジュールを使う場合、基板上のプルアップ抵抗を使うと電源OFF時にこの抵抗を介して電池を消費するのでバッテリーバックアップの場合は使ってはならない。 プルアップは5V側で行うこと。
    追記終わり

    追記2
    ラジオペンチ様がこのダイオードの件を実測して下さいました。 貴重なデータです。  RTCのバッテリーバックアップ回路
    1N4148で問題ないようです。
    追記2終わり


    保護抵抗の抵抗値
    backupBATT04.png
    逆流防止用ダイオードがショート状態で損傷した場合に充電電流を制限する為もの。 UL(事実上アメリカ、カナダ)の他、EUの安全規格のCEでも必要なので、プロの設計では必ず入れる。 あくまで電池の破壊を防ぐためであり、なるべく早くにダイオードと電池の交換が必要。
    抵抗も壊れたら?は考えない。 部品1個の損傷まで想定すればよいことになっている。 この理屈だと抵抗無しでダイオード2個直列というやり方もある。 ただ、電圧降下は当然増すし、抵抗器の方が故障率が低いので普通はやらない。

    充電許容最大電流値
    backupBATT03.png
    図はmaxellの「CR_Warnings_17j.pdf」から引用
    Panasonicの「AAA4000COL14.pdf」の方が多くの種類載っているが図が大きすぎるのでmaxellのを使いました。

    CR2032は最大10mA
    最大電源電圧5.25V、電池終始電圧2Vで計算すると抵抗値は
    (5.25V-2V)/10mA=325Ω以上
     → 抵抗器の誤差も考慮して390(E12系列)か470Ω(E3系列)。
    ただ、SONYは電池電圧0Vで計算しろとなっている。 まあ確かに最悪はそうだろう。
    ダイオードが壊れた状態で電源OFFにすると、電池から電流が流れ続けて最悪0Vになる。
     525Ω以上 → 560(E12系列)か680Ω(E6系列)
    リアルタイムクロック(RTC) 用途ならば最近のならば消費電流が非常に少ないので680Ωでも問題ない。 5.25Vで560Ωの抵抗の消費電力は1/20W。

    結論
    逆流防止用ダイオードはスイッチング・ダイオードから選ぶとよい
    室内で趣味で使う分には世界的に汎用な1N4148で良いだろう。
    もし連続して25℃以上で使う製品ならもう少しリーク電流が少ないものにした方が良いかも。 ただ、許容充電電気量が一般的な?2%以上の電池を使うならば1N4148でまず問題ないだろう。
    保護抵抗
    電源が5V±5%ならば 560Ω か 680Ω 1/10Wで良いだろう。
    ・CR2032で10年位のバックアップが必要ならば許容充電電気量が2%以上のリチウム電池にする。
    今回調べた限りでは Panasonic か SONY のもの。
    特にPanasonicのは3%なので長期間のバックアップ用途にはベストである。
    逆にmaxellのは1%で5年より長期間に向かない。
     CR1632のように小型で小容量ならばなお更向かない。
    FDK、東芝、三菱、Golden Powerはこの記述が発見できず不明です。


    で、最初の話はというと、そもそもCR2032の電池ホルダー持っていないんだった。 (汗)
    CR2032の電池ホルダーは2.54mmの格子に載らないので非常に面倒だし...
    何かで挟めばいいかもしれないが...一気にやる気が失せました。

    以上
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    銅箔テープで簡易電極

    CR2032の簡易電極として、
    私は以前購入した銅箔テープ(10mm幅、接着剤付き)を、一部折り返して電池に接着させると同時に電気的にも導通させて利用しています。銅なので半田付けも簡単です。

    電池の並列接続、誰しも考えることは同じですね。

    私は勿体ない世代の為、並列使用をよく検討します。
    状態が異なる電池を並列する場合はダイオードの電圧降下分も勿体ないので、Pch MOS-FETによる逆流防止回路が向いていると思います。しかし、内部ダイオードによる逆電流を考慮すると今回の用途には向かないですが、常夜灯程度の明るさのLEDライトとして使うのなら問題ないかと…。
    下記リンクの中央当たり。
    http://www.geocities.jp/neofine9/work/revblk/revblk.html

    秋月で販売している「DMG3415U」はVGS=1.8Vと低い電圧でも動作してRDS(ON)=51mΩと低いです。

    Re:銅箔テープで簡易電極

    銅箔テープは私は使わないので持っていないんですよ。
    私も常夜灯が良いところだと思っています。
    以前作った、いい加減な常夜灯のLED電流を減らして繋いでみようかと考えています。
    http://eleclabyrinth.blog.fc2.com/blog-entry-166.html
    電池への接続はま~なんか適当に...

    電池電流の測定結果

    今晩は、ご無沙汰してます。

    この記事がとても参考になったので、当方で動いている回路の電流を測定して、記事にさせて頂きました。

    http://radiopench.blog96.fc2.com/blog-entry-764.html

    Re:電池電流の測定結果

    ラジオペンチ 様
    お久しぶりです。いつもブログ拝見させて頂いております。
    ご丁寧に記事の連絡ありがとうございます。
    貴重なテータを採って頂き返ってありがとうございました。

    この記事中の追記2でラジオペンチ様の記事にリンクさせて頂きました。
    よろしくお願いいたします。

    通りすがりの猫です。

    はじめまして。毎回興味深く拝見しております。
    自分も仕事柄、廃棄品のM/Bから回収したCR-2032をカードラジオで消費してます。
    https://www.suruga-ya.jp/product/detail/701101373001
    ただ、電池テスターでイエローラインになると突然音が小さくなり、
    音量上げると発振起こすので、一寸勿体無い感じです。

    あと、自転車用小型前照灯に使うというテも。
    https://www.amazon.co.jp/dp/B006WX2JMG/

    以上、ご参考まで。

    Re:通りすがりの猫です。

    行灯猫 様
    初めまして。 猫お好きなんでしょうね。 私も好きですけどす。
    自転車持っていないんですよ。
    何か買って電池を使うのであれば100均のライト等で良いんですが、買っても日頃使えそうな物がないのでなんかなぁという感じなんです。

    Friendship 7

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