В datasheet на ESP8266 указано напряжение питания от 3.0 до 3.6 вольт, что, в принципе, позволяет питать ESP8266 напрямую от двух батареек AA или одной литиевой 1S батарейки. Если нам не очень важна стабильность и аккуратное поведение устройства при падении напряжения, или не жалко литиевую батарейку, можно этим и обойтись, в противном случае перед нами встаёт ряд вопросов.
Преобразование напряжения
В большинстве случаев напряжение батареи будет выше, чем нужные нам 3.3 В, и оно будет заметно изменяться по мере разряда батареи, поэтому нам нужно его понизить и стабилизировать. Первое, с чем нужно определиться — это хотим ли мы питать остальную часть схемы от стабилизированного напряжения, или можно напрямую от батарейки. От этого зависит необходимый ток, отдаваемый регулятором напряжения. Самому ESP8266 надо максимум 200 mA, набросив немножко сверху на заряд конденсатора и прочие непредвиденные расходы, можно считать что 300. Стабильное напряжение часто любят датчики, а мощные исполнительные устройства часто лучше питать напрямую от батареи.
Дальше надо определиться с типом регулятора, тут есть два варианта, каждый со своими достоинствами и недостатками – линейный регулятор, или импульсный.
Линейный регулятор напряжения
Линейный регулятор, по сути, представляет из себя управляемый резистор, на котором падает всё «лишнее» напряжение и рассеивается в виде тепла.
Достоинства линейного регулятора:
- Крайняя простота — обычно микросхема с 3 выводами и два конденсатора. Почти невозможно накосячить.
- Дешевизна — от 6 рублей за микросхему.
- Отсутствие высокочастотного шума в выходном напряжении. Это может быть полезно, например, если от этого же напряжения питается какой-нибудь чувствительный датчик.
Самый распространённый вариант — микросхема типа 1117, выпускаются многими производителями, как правило выпускаются в нескольких вариантах на линейку фиксированных выходных напряжений, среди которых всегда есть 3.3 В — например AZ1117C-3.3 производства компании Diodes Inc.
Рис. 1. Типовая схема включения линейного регулятора типа 1117
На что стоит обратить внимание:
- Падение напряжения на регуляторе. Если падение напряжения на регуляторе 1.2 В (типовое значение для регуляторов типа 1117), это значит, что для поддержания напряжения 3.3 В на выходе нам надо иметь как минимум 4.5 В на батарее, что означает, что с мечтой о питании от трёх пальчиковых батареек придётся расстаться. Чем ниже это падение напряжения – тем лучше.
- Максимальное напряжение конденсаторов. Для конденсатора на выходе регулятора достаточно 6 В, а вот на входе запас в +50% от максимального напряжения батареи никогда не повредит.
- Максимальный ток редко бывает проблемой, потому что даже простейший регулятор, как правило, без проблем обеспечит ток до 1 А.
- Максимальное входное напряжение. Типовое значение для регуляторов типа 1117 — 15 В, если у вас более высоковольтная батарея (например LiPo 4S) — обратите внимание.
Недостаток линейного регулятора – не очень большой КПД, сильно зависящий от разницы между напряжением на батарее и выходным 3.3 В. Эта разница бесполезно рассеивается регулятором в виде тепла. Если устройство питается от трёх батареек размера АА (4.5 В), то примерно 27% энергии потратится впустую. Если напряжение батареи 12 В, то впустую потратится уже 73%.
Импульсный регулятор
Импульсные регуляторы обычно имеют более высокий КПД, мало зависящий от разницы напряжений между входом и выходом. Платить за это приходится усложнением схемы, а также определёнными требованиями к разводке печатной платы. Поскольку в регуляторе используется относительно высокая частота (обычно от десятков килогерц до единиц мегагерц), схема становится чувствительной к паразитным индуктивностям и ёмкостям, поэтому мало соединить элементы правильно, взаимное расположение самих элементов и проводников между ними тоже может критически повлиять на работоспособность. В моей практике был случай, когда из-за неудачной разводки проводников на плате регулятор начинал работать только при поднесении к нему пальца – то есть внесении дополнительной паразитной ёмкости. Также это может быть не самый удачный выбор, если ваша схема чувствительна к высокочастотным помехам – например рядом на печатной плате расположен чувствительный датчик.
Рис. 2. Типовая схема включения LM2736 производства компании Texas Instruments, цена примерно 80 рублей
На что стоит обратить внимание (гораздо больше пунктов, чем у линейного регулятора!):
- Импульсные преобразователи бывают очень разные, поэтому будьте готовы потратить немало времени на выбор подходящего.
- Необходимая «обвязка» преобразователя. Количество и номиналы используемых деталей могут заметно повлиять на габариты, стоимость и сложность.
- Разводка платы. В datasheet почти всегда будут или словесные рекомендации, или даже картинка с эталонным дизайном платы, но это не догма — часто можно обойтись здравым электрическим смыслом (все проводники на плате как можно короче, на другой стороне платы сплошной заземлённый слой и т.п.).
- Диапазон напряжения на входе.
- Максимальный ток на выходе.
- Частота преобразования. Схемы с более низкой частотой менее капризны с точки зрения паразитных ёмкостей, но требуют больших конденсаторов (обычно танталовые, полярные) и индуктивностей. Также многие люди слышат их высокочастотный свист – индуктивности работают как маленькие пищалки. Схемы с более высокой частотой более капризны, но требуют меньших конденсаторов (обычно многослойных керамических) и индуктивностей, и не свистят.
- Максимальные напряжения конденсаторов. В импульсном преобразователе могут быть значительные высокочастотные колебания выходного напряжения (ripple), поэтому рекомендуется хороший запас.
- Почти все импульсные преобразователи имеют регулируемое выходное напряжение, которое задаётся делителем из двух сопротивлений, поэтому их номиналы и допустимое отклонение должны быть довольно точными.
Контроль напряжения батареи
Есть как минимум две причины, зачем это может быть нужно. Во-первых, это позволяет примерно оценить оставшееся время работы до полного разряда. Во-вторых, если ваше устройство питается от литиевой батареи, то эти батареи быстро пухнут и теряют свои характеристики от переразряда, поэтому очень желательно выключать устройство до того, как батарея разрядится совсем.
Сделать это очень просто – достаточно делителя из двух резисторов, подключённых ко входу ADC. Делитель рассчитывается так, чтобы максимальное напряжение на входе ADC не превышало 1 В (верхний предел ADC). В принципе, если оно будет немного выше, то ничего страшного не случится, но надо быть внимательным, чтобы не превысить напряжение питания – помните, что напряжение батареи, которое мы измеряем, может быть существенно выше 3.3 В – если его случайно подать на ADC то ESP8266 сгорит.
Недостаток один – это занимает единственный доступный ADC. Эту проблему, в свою очередь, можно решить использованием внешнего мультиплексора (например NLAS4599 производства компании ON Semiconductor, цена примерно 10 рублей), но он, в свою очередь, займёт один или несколько GPIO для управления. Также к недостаткам этого метода можно отнести, что на ADC нельзя повесить прерывание, и его надо регулярно опрашивать самому.
Детектирование “brownout”
“Brownout” — это проседание напряжения питания ниже номинала, но не до нуля. Зачем нужно его детектировать? Представьте, что у вас есть грелка с батарейным питанием и управлением на ESP8266. Становится холодно – обогреватель включается, становится тепло – выключается. Казалось бы, что может пойти не так? Но давайте посмотрим подробнее.
Батарейка как источник питания имеет определённое внутреннее сопротивление, при попытке забрать от неё большой ток (например, при включении обогревателя) её выходное напряжение проседает. Что происходит с ESP8266, если оно проседает ниже 3.3В? А происходит вот что – небольшого проседания напряжения недостаточно для того, чтобы наступил общий ресет и все выходы перешли в неактивное состояние, но достаточно для того, чтобы “мгновения остановились” для мозгов ESP8266. В результате, в нашем примере с грелкой, получается, что ESP8266 включает грелку, тут же уходит в коматоз из-за brownout, а GPIO выход, управляющий грелкой, сохраняет высокий уровень – соответственно грелка продолжает греть и прогревает вас до состояния medium well, если батарейка не кончается раньше и не наступает наконец долгожданный общий ресет.
Во многих серьёзных микроконтроллерах эта проблема давно решается аппаратно, и часто даже можно выбирать программно реакцию на brownout – это может быть как принудительный ресет, так и прерывание, в котором микроконтроллер “из последних сил” может успеть (без гарантий, конечно) сам перевести себя в безопасное состояние. В ESP8266 ничего такого нет, поэтому придётся браться за паяльник. К счастью, всё давно придумано до нас, и для решения этой проблемы давно существуют микросхемы с всего тремя выводами, которые можно подключать к ESP8266 без какой-либо дополнительной обвязки. Куда подключать – есть два варианта: или на ресет, или на GPIO и обрабатывать ситуацию программно, возможно через прерывание.
Рис. 3. Типовая схема включения микросхемы CAX803TTBI-T3 производства компании ON Semiconductor, цена примерно 10 рублей. Обратите внимание, что в ESP8266 есть программно включаемые pull-up сопротивления, так что внешнее сопротивление не нужно
На этом всё, в большинстве случаев описанного выше хватит, чтобы обеспечить вашей ESP8266 вкусное, здоровое и недорогое питание. Да пребудет с вами электродвижущая сила!
Комментарии (58)
AVX
06.07.2016 22:23+1в ESP8266 есть программно включаемые pull-up сопротивления, так что внешнее сопротивление не нужно
а вот тут можно проблемку получить, из-за экономии на резисторе. Ведь если подтяжка внутри контроллера включается программно (и если она по умолчанию выключена, я не смотрел, мне лень), то до того момента как отработает часть программы, включающая подтяжку, внешняя микросхема может повести себя не так, как ожидается (ведь пока подтяжки нет), и, например, выполнить сброс раньше времени. И так по кругу. Такие «мелочи» нужно прорабатывать.
wlkr
07.07.2016 03:57В описанном случае единственное, что может случиться, если нет подтяжки — ESP8266 может эту ногу неправильно прочитать, но прежде чем читать, мы включаем подтяжку.
shtirlitsus
07.07.2016 09:38Если речь идёт про рис.3, то вы можете зависнуть в сбросе. pull-up при сбросе отключены, соответственно тащить в плюс ногу некому, если не будет резистора 5к?. При чёт тут чтения?
AVX
07.07.2016 09:57+1Вот и я про этот рисунок. Подключено-то к reset'у, а не какому-то другому входу.
Кстати, ниже уже подскзали:
Но опять же, всё придумано до нас, и тогда мы в описанном примере просто меняем CAX803 на CAX809/810.
Глянул даташит на cax803/809/810 — в случае рисунка 3 нужно только cax809 испльзовать, если не хочется резистор ставить. Там внутри два полевичка на выходе.shtirlitsus
07.07.2016 10:37да, 803-й с открытым стоком, 809 — пуш/пулл. спасибо, буду знать.
AVX
07.07.2016 13:20Кстати, я не нашёл, где купить-то эти самые cax803/809/810? Даже на али нет ничего. Или надо как-то по-особому гуглить? Имею ввиду купить в розницу, а не от 10000шт.
wlkr
07.07.2016 13:42Digikey и пр. Сильно подозреваю, что есть много аналогов, я просто взял самое дешёвое и доступное для меня.
wlkr
07.07.2016 04:13К тому же, по умолчанию все ноги — входы, кроме GPIO0. Если на RESET — то да, это проблема. Но опять же, всё придумано до нас, и тогда мы в описанном примере просто меняем CAX803 на CAX809/810.
DarkByte
07.07.2016 08:43Один литиевый элемент выдаёт от 3.0 до 4.2В, а ESP8266 максимум на вход готов принять 3.6. По-моему напрямую его подключать не стоит. Опять таки, ни линейный регулятор, ни импульсный, обозначенные в тексте, не будут питать контроллер когда напряжение на банке опустится ниже 3.5В. Но в аккумуляторе при этом напряжении остаётся ещё приличный запас ёмкости. Ожидал что будет раскрыт именно этот вопрос, потому что везде этот момент либо опускают, либо ставят два преобразователя, один из имеющегося напряжения повышает до 5В, второй делает 3.3.
b3qkc
07.07.2016 12:06Согласен, питать от 4.2 бедную ЕСПшку не гуманно, однако есть на свете ADP3338, с падением всего 190mV@1A, которая чудесно подходит под литиевую банку. В купе с готовым контроллером заряда-разряда на TP4056 выходит весьма годная и экономичная схема питания.
Winnie_The_Pooh
07.07.2016 16:05+1Существуют импульсные преобразователи, автоматически переключающие режим вниз и вверх и способные выдавать стабильные 3.3в при изменении напряжения литиевого аккумулятора в диапазоне 4.2 — 2.7 в.
Например, микросхема NCP5030. Она недорога (~65 р), имеет режим BUCK-BOOST и достаточно экономична, т.е. потери на преобразование невелики.
Параметры микросхемы:
• Экономичность 87% при токе нагрузки 500 мА и входном напряжении 3.3 в
• Внутренний синхронный выпрямитель
• Максимальный ток в нагрузку – 900 мА
• 0.3 мкА ток потребления в выключенном состоянии
• Диапазон входного напряжения 2,7 – 5,5 вольт
• 200 мВ напряжения обратной связи для стабилизации выходного тока
• Защита от превышения выходного напряжения и перегрева.
• Автоматический переход между режимами BUCK и BOOSTwlkr
07.07.2016 16:08Спасибо. Жалко, что она по диапазону входного напряжения чётко заточена под 1S литий и больше ничего.
Winnie_The_Pooh
07.07.2016 16:10в этом нет большой проблемы. просто надо включить литиевые элементы параллельно.
wlkr
07.07.2016 16:16А если 2S литий? А если не литий? А если хочется, чтобы оно работало от любой доступной батарейки до 12 В включительно (как мне обычно)? Мой опыт учит, что чем меньше ограничивать счастливого пользователя в вариантах, от чего бы это запитать, тем лучше.
Winnie_The_Pooh
07.07.2016 16:22+1«Любой каприз за ваши деньги» :)
Если серьезно — разработка начинается с ТЗ, в котором пишутся хотелки.
Хотите универсальное питание — нивапрос, только готовьте денежки. Универсальные питатели есть, но стоят денег.
Хочет ли конечный пользователь покупать задорого универсальное устройство или предпочтет ограничить свои хотелки и сэкономить — каждый решает для себя.wlkr
07.07.2016 16:25Упомянутая в статье микросхема покрывает диапазон от 3xAA до автомобильного аккумулятора, требует минимум внешних компонентов и стоит недорого, за что и люблю.
wlkr
07.07.2016 16:13Смущает, что это драйвер светодиода и заточен под стабилизацию тока, а не напряжения. И корпус не паяется ручками.
Winnie_The_Pooh
07.07.2016 16:16+1Кхм :)))) стабилизация тока от стабилизации напряжения отличается точкой съема обратной связи и все :)
Паяется :))) надо его перевернуть вверх выводами. тутwlkr
07.07.2016 16:19Ой :) Меня бы за такое убили ещё в девятом классе на радиомонтаже, но сейчас, говорят, всё можно :)
wlkr
07.07.2016 16:40Столько места занимает преобразователь на LM2736, с очень просторным ручным монтажом. И даже с защитой от неправильной полярности. R5 к делу не относится, pull up какой-то.
roboter
07.07.2016 10:34простите за нубские вопросы.
с помощью делителя и ацп мы узнаём текущий вольтаж.
А как рассчитывается оставшийся заряд батареи|аккумулятора?
SGordon123
07.07.2016 13:08По графику разряда?
roboter
07.07.2016 13:30и где его взять?
DarkByte
07.07.2016 13:34Посмотреть в датащите используемого аккумулятора или замерить самостоятельно с использованием умной зарядки типа imax b6 и её клонов.
roboter
07.07.2016 13:37тогда надо и ток потребления мерить?
SGordon123
08.07.2016 11:46Под нагрузкой проседает акк конечно же… С другой сторны если уж если мерять ток постоянно, то его можно проинтегрировать и понять, сколько электричества утекло…
wlkr
07.07.2016 13:34+1Можно более приблизительно и тупо, если знать конечное напряжение, при котором всё перестаёт работать, и исходить из сильно упрощающего предположения, что оно падает линейно.
ncix
07.07.2016 11:06Хорошая статья но немного однобокая — не освещен вопрос энергосбережения на самом ESP8266. У него, например, есть спящий режим с потреблением 60 мкА. Для ряда применений вовсе не нужно постоянно быть включенным и поддерживать WiFi — сеть.
lonelymyp
07.07.2016 12:06ESP прекрасно работает от литиевого аккумулятора от мобилы. без преобразователей и т.п.
4.2 вольта на входе ей пофигу.
когда садится, отключаю аккумулятор и заряжаю его в лягушке.wlkr
07.07.2016 13:38У аккумулятора из мобилы встроенные мозги обычно, наверно они спасают от переразряда. Обычный литий без мозгов через несколько циклов разряда до нуля часто пухнет так, что я не рискую держать его дома уже.
Sagittarius67
07.07.2016 13:36+1А что скажете по поводу использования для питания ESP8266 регуляторов на базе TPS6120x, например Pololu U1V11F3?
wlkr
07.07.2016 13:37Пока ничего не скажу, но по опыту использования других изделий от Popolu знаю, что цена бывает немного кусачей за такие простые вещи.
wlkr
07.07.2016 15:31Посмотрел datasheet на сам чип. Хорошо, но недёшево, и корпус для ручной пайки не пригоден :(
wlkr
07.07.2016 13:41Чтобы два раза не вставать, причины, почему я стараюсь не использовать литий:
- Капризный
- Дорогой
- Замучаешься отправлять изделия почтой
- Сложно достать в отдалённых уголках планеты
Winnie_The_Pooh
07.07.2016 16:14открываю страшную тайну :))))
Отличные литиевые аккумуляторы добываются из ненужных\старых\нерабочих аккумуляторов от ноутбуков.
Стоят копейки или вовсе даром, есть везде.wlkr
07.07.2016 16:26У нас, очевидно, разное везде (:
SGordon123
07.07.2016 17:44+1А от сотиков неужели у вас нет лития? Что за везде такое?
wlkr
07.07.2016 17:47От сотиков может и есть, да. Практика показывает, что с сотиками люди нынче ходят везде, даже там, где они заведомо не работают как телефон. Правда, там их часто и занашивают до дыр, не уверен что там много пригодных батареек. Но идея хорошая, спасибо!
lorc
07.07.2016 18:48Насколько я знаю, в АКБ ноутов стоят литивые банки без контроллеров, потому что там есть один общий контроллер на всю батарею. Поэтому, я бы не стал использовать эти банки где-либо.
Winnie_The_Pooh
07.07.2016 20:05Мысль свою разверните — поясните связь между отсутствием контроллера на акк 18650 и невозможностью его использования?
Есть внешние контроллеры разряда-заряда, почему их использование невозможно?lorc
07.07.2016 20:28Внутренний контроллер нужен для защиты банки от неправильного использования: переразряд, перезаряд, превышение допустимого тока. Так же контроллер не даст заряжать банку если напряжение на ней опустилось ниже критического минимума, потому что это сильно повышает вероятность взрыва банки.
Плюс, у защищенной банки есть механическая защита от перегрева/превышения тока: при сильном нагреве разрушается плюсовой контакт.
Эти все дополнительные меры безопасности на случай, если с внешним контроллером что-то произойдет, либо банка будет использоваться без контроллера (ну например в светодиодном фонаре, не все они имеют защиту от переразряда).
Вообще, надо заметить что все потребительские устройства разрабатываются с рассчетом на использование батарей со встроенным контроллером (если используются сменные 18650 батареи, естественно), поэтому защит там может и не быть вовсе.
Банки без внутреннего контроллера можно использовать в своих устройствах, при условии что эти батареи будут несменными и вы точно понимаете что делаете. Лично, я бы не стал пользоваться такими банками.Winnie_The_Pooh
07.07.2016 21:50+1Вы делаете очень безапелляционные утверждения. Особую забавность ситуации придает то, что Вы спорите с профи-радиоинженером :)))
Я совершенно согласен, что литиевые аккумуляторы требуют точного знания, что Вы делаете.
Очевидно, что использовать литиевые аккумуляторы без правильного зарядно-разрядного устройства нельзя. Оно должно быть либо встроенным, либо внешним. Встроенные устройства не обеспечивают правильного режима зарядки, они предназначены для ограничения тока разрядки и ограничения напряжения разрядки\зарядки. Формирование правильного режима зарядки все равно остается за внешним устройством.
Механическая защита от перегрева есть в любой банке изначально.
Далеко не все потребительские устройства разрабатываются в расчете на аккумуляторы со встроенным контроллером. У меня есть промышленно разработанный фонарь со сменными 18650 и он рассчитан на 18650 как с дополнительной встроенной защитой, так и без нее. У меня есть power bank, рассчитанный на 18650 без защиты. И тоже промышленно разработанный и тоже сменные элементы.
Два последовательно включенных защитных устройства понижают надежность устройства, ухудшают энергетические параметры. Плюс размеры 18650 с защитой больше — они несколько толще и длиннее. Аккумуляторы без встроенной защиты существенно дешевле.
ПОэтому в реальном мире именно они используются в подавляющем большинстве применений.
Учитывая, что мы обсуждаем самоделки — вполне очевидно, что разумно применить правильный контроллер заряда-разряда и тогда можно и безопасно использовать 18650 без защиты. Все равно внешний контроллер заряда нужен — а если он есть, дополнительная защита в 18650 только ухудшает дело.
electronus
08.07.2016 19:20Интересно, кто-то сталкивался с решением, которое запитывает ESP на 10 секунд, а потом выключает до следующего внешнего события, да так, чтобы не садить в перерывах батарею?
Сейчас сделал с помощью reset+sleep после отработки нужного алгоритма. Проблема в том, что если резет зажать, или он станет активным до отработки алгоритма то событие потеряется, чего хотелось бы избежатьwlkr
09.07.2016 04:54Что-то вроде 555, который запускается от внешнего события и на 10 секунд поднимает ногу EN(able) преобразователю питания? Только надо учесть, что если событие короче, чем время, за которое стартует 8266, то наверно надо как-то отличать простое включение питания и включение по сигналу. Или можно приделать дискретный внешний триггер, чтобы EN поднималось по событию, а опускалось по сигналу с GPIO после отработки алгоритма? Сам пока не пробовал, просто идеи.
shtirlitsus
1. Почему на хабре, а не на гиктаймс?
— если только с атомной батарейкой…2. Думал, что будет разговор про спящий режим.
3. Зачем таскать esp в кармане — зона покрытия wifi ограничена. Для автномных устройств без wifi масса других микроконтроллеров.
4.
5. есп сама умеет мерить питание без внешних резисторов.
sim31r
Плюс нет никакой практически полезной информации, ток потребления, время работы от батарейки в разных режимах. Каким боком к статье относится ESP8266… вставить название любого другого потребителя напряжения, ничего не изменится, STM32, Atmega, светодиод…
wlkr
Ток и время работы, как Вы понимаете, будут очень сильно зависеть от железа и программы, так что приводить конкретные цифры едва ли есть смысл. Одно из моих устройств раз в секунду передавало сообщение по WiFi и работало 20 часов от 3xAAA, если это Вам поможет.
Каким боком ESP8266 — объясняю. В «нормальных» микроконтроллерах обычно предусмотрено много всяких фишек про проблемы с питанием, в ESP8266 — нет, он на это не был рассчитан изначально, это должна была быть не его забота. А простой нагрузке падение напряжения с 3.3 до 3.0 едва ли сделает проблему.
wlkr
3. Затем, что бываhttps://habrahabr.ru/post/304936/#ют нужны именно автономные устройства с WiFi.
5. ESP8266 умеет мерять питание, которое на неё подали. Она не умеет мерять питание до преобразователя.