8か月以上の長期間動作を確認! 超省エネIoTセンサESP32-WROOM-32

ESP32シリーズを使用して、8か月のIoTセンサ動作が確認できましたので、報告いたします。
電源には、単3アルカリ乾電池4本と、村田製LXDC55を搭載した秋月電子通商製のAE-LXDC55-3.3Vを使用し、60分に1度、IoT用クラウドサービスAmbientへ送信しました。
ESP32-WROOM-32モジュールの起動時の突入電流と、Wi-Fi動作時の消費電流が大きいので、手軽な電源回路を実現するのに苦労しました。
写真右側の黒色の基板には、もともとDCDCコンバータや、リチウムイオン電池を搭載可能な電池ボックス(基板裏面)が搭載されていました。しかし、これらの消費電力が大きかったので、電源パターンを切断し、左側の赤色の基板に実装された村田製DCDCコンバータを使用しました。
ESP32-WROOM-32を単3アルカリ乾電池4本で動作させる実験の様子
村田製DCDCコンバータを使用したときの本システム全体の消費電力は約2mW、単3アルカリ乾電池で247日(約8か月・送信間隔=60分)、動作しました。
IoT用クラウドサービスAmbientを使ったので、動作の様子を確認しながら実証検証を行うことができました。
また意外と手間やコストのかかる取得データの保管もAmbient(無料で利用可能)なら手軽です。

動作期間8か月の電池電圧の推移

下図は、8か月間の電池電圧の推移です。
ESP32-WROOM-32+村田製作所製LXDC55の組み合わせで、2017年12月29日から2018年9月2日までの247日(8.1か月)の動作が行えた
グラフをみると、7月に4.7Vから4.5Vへ落ち込む様子が見られます。下図は、その拡大図です。2日間かけて、電圧が激しく変動していたことが分かります。
これは、村田LXDC55のDCDCコンバータが4.75V以上の入力で動作し、それを下回ると、LDOの動作に切り替わった様子だと思います。
また、LDOの変換効率がDCDCよりも悪く、約0.2Vの電圧降下をまねいたということも分かります。
4.75V以下でDCDCコンバータがLDOに切り替わった。また、変換効率の低下によって0.2Vの電圧降下も生じた。

試算通りの動作を達成させるための工夫

ESP32-WROOM-32の電池の持ち時間を、試算通りに達成させることは難しいです。前回は、試算120日の構成にも関わらず、70日しか持ちませんでした。それ以前の実験では、半分以下しか達成できないこともありました。
試算120日にも関わらず、70日しか動作しなかった例:
今回: 試算248日 実証実績247日 (達成率 100%)
前回: 試算118日 実証実績70日 (達成率 59%)
今回、試算通りの動作を確認するために、以下の2点について、考慮しました。
  1. 降圧型DCDCコンバータを使用(消費電力150μA)
  2. 1000μFの低ESRコンデンサ×2個(計2000μF)を追加
降圧型にしたのは、電池電圧が下がったときの消費電流増大に伴う起動不具合を防止するためです。
ESP32-WROOM-32の起動時は、1Aもの突入電流が数十μ秒発生し、その後、電流200mAが10ms、さらに約1秒後に電流200mAが100ms、流れます。とくに、最後の200mA×100msの電流量の負担により、電池の終止電圧を高めてしまう(電池寿命を短くしてしまう)ということが分かりました。そこで、電池を4本直列にして、電圧を引き上げておき、降圧型で使用することで、終止電圧の高まりを抑えました。
大容量のコンデンサも、突入電流によるESP32マイコンへの供給電圧の低下を下げるためです。
なお、1000μFのコンデンサは、リーク電流が発生する場合があります。リーク電流は個体差があるので、少し、多めに買って、リーク電流の少ないコンデンサを使用すると良いでしょう。
本製作例での平均動作電力は約2mWです。もし仮に、1mAのリーク電流が発生したとすると、電池寿命は2か月程度まで落ち込むことになります。
CQ出版のIoT Express基板を使って製作してみても良いでしょう。
IoT Express基板へ村田製LXDC55を実装した例:

課題

課題も残っています。旧モデルESP-WROOM-02を使った場合、単3アルカリ電池3本で1年間の動作実績があり、電池の数が少ないにも関わらず、4か月も本機が負けていました。
この課題については、全く異なる方法で対策し、すでに良好な結果を得ています。
ESP32-WROOM-32・単3アルカリ乾電池2本で9.7か月
ESP-WROOM-02・単3アルカリ乾電池3本で1年間
https://t.co/GHN0yf5jIC
by ボクにもわかる電子工作