基于低功耗模擬技術(shù)延長電池使用壽命

電池是便攜式電子設(shè)備的核心，提供為內(nèi)部電路供電所需的電能。由于電池的作用如此關(guān)鍵，因此有必要對當(dāng)前便攜式電子設(shè)備中的各種電池化學(xué)成分以及其中幾種成分的特性進(jìn)行簡要介紹。目前，便攜式電子設(shè)備中的電池化學(xué)成分主要有四種類型，分別是堿性、鎳鎘（NiCd）、鎳氫（NiMH）和鋰離子（Li-Ion）。

堿性電池基于鋅與二氧化錳之間的反應(yīng)。典型的堿性電池在充滿電時(shí)可產(chǎn)生約1.5V的電壓。電池的電壓將隨著電能的消耗而降低，當(dāng)電能消耗90%時(shí)電壓約為0.9V。堿性電池的容量相對較大，但內(nèi)阻也高，因此對于漏電流較大的應(yīng)用（例如照相機(jī)閃光燈、遙控汽車和電動工具），此類電池的效率非常低。

鎳鎘電池仍被用于高電流應(yīng)用。這種電池非常耐用，而且成本低。鎳鎘電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，在電池壽命結(jié)束時(shí)電壓將降至0.9V。由于其能量密度相對較低，并且存在有毒金屬，因此越來越多的應(yīng)用不再使用鎳鎘電池。鎳鎘電池的另外一個缺點(diǎn)是需要定期完全放電。這用來防止電池板上形成大塊晶體，因?yàn)檫@種晶體會影響電池的壽命和性能。

鎳氫電池比鎳鎘電池更為普及，因?yàn)殒嚉潆姵馗迎h(huán)保，并且能量密度高出約40%。鎳氫電池的標(biāo)稱電壓約為1.25V，在電池壽命結(jié)束時(shí)電壓將低于1.0V。但是，鎳氫電池不如鎳鎘電池耐用，在大負(fù)載和極端溫度下工作時(shí)，電池壽命會縮短。鎳氫電池還有相當(dāng)高的自放電速率。

鋰離子電池已成為主導(dǎo)，大多數(shù)便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備均采用這種電池化學(xué)成分。單節(jié)鋰離子電池充滿電時(shí)的開路電壓約為3.6V，當(dāng)電量完全耗盡時(shí)電壓將降至約2.7V。這種電池化學(xué)成分具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括重量輕、電壓高以及可塑性強(qiáng)（對于鋰聚合物電池）。此外，鋰離子/鋰聚合物電池的能量密度還在不斷增大（當(dāng)前大約是標(biāo)準(zhǔn)鎳鎘電池的二倍），而成本在不斷降低。鋰離子電池的缺點(diǎn)是過充有可能會導(dǎo)致爆炸。出于安全考慮，一些制造商在對尺寸和重量要求不是特別嚴(yán)格的應(yīng)用中仍采用鎳氫電池。

便攜式電子設(shè)備的不斷涌現(xiàn)迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來越關(guān)注于電源管理電路的設(shè)計(jì)，他們需要了解各種直流-直流轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)，才能使設(shè)計(jì)的整體性能最優(yōu)化。轉(zhuǎn)換器的拓?fù)溆卸喾N類型，包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)式穩(wěn)壓器和電荷泵。

線性穩(wěn)壓器使用電壓控制的電流源來產(chǎn)生給定的輸出電壓。線性穩(wěn)壓器分為幾種不同類型，但對于電池供電的應(yīng)用，最常用的是低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。此類線性穩(wěn)壓器使用P溝道傳輸晶體管作為具有反饋的可變電阻，以調(diào)整輸出電壓。

在開關(guān)式穩(wěn)壓器的最基本形式中，使用二極管、電感和開關(guān)來傳輸輸入端的能量以提供給定輸出。開關(guān)式穩(wěn)壓器可配置為多種不同的拓?fù)洌ń祲?、升壓以及降?升壓。降壓開關(guān)式穩(wěn)壓器提供的穩(wěn)壓輸出電壓低于輸入電壓，與LDO的功能類似。升壓開關(guān)式穩(wěn)壓器提供的輸出電壓高于輸入電壓。LDO無法實(shí)現(xiàn)此功能。最后，降壓/升壓拓?fù)淇蔀橐欢ǚ秶鷥?nèi)高于和/或低于輸出電壓的輸入電壓提供穩(wěn)壓輸出。

電荷泵使用電容作為儲能器件。開關(guān)將電容的極板連接到輸入電壓，使其能對輸入電壓進(jìn)行雙倍、三倍、反相或二等分處理，甚至產(chǎn)生任意的穩(wěn)壓輸出電壓，具體則取決于電路拓?fù)?。由于電荷泵對電容進(jìn)行充電和放電來傳遞能量，因此與上文所述的其他轉(zhuǎn)換器相比，此類轉(zhuǎn)換器可提供的輸出電流總量相對較低：通常不會超過幾百毫安。

上文討論的全部三種直流-直流轉(zhuǎn)換器均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表1所示。可根據(jù)具體應(yīng)用以及最重要的參數(shù)選擇合適的拓?fù)?。如果?yōu)先考慮延長電池壽命，則高效的開關(guān)式穩(wěn)壓器可能是最佳解決方案。如果噪聲是一大問題，則線性穩(wěn)壓器是不錯的選擇。無論是哪種應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能，都必須關(guān)注于電源管理電路。

目前有一些技術(shù)可通過直流/直流轉(zhuǎn)換來延長電池的運(yùn)行時(shí)間。圖1所示的電路中突出顯示了輸入和輸出電容相對于直流/直流轉(zhuǎn)換器的放置。開關(guān)式穩(wěn)壓器在斷開和閉合輸入開關(guān)時(shí)會在輸入引腳上產(chǎn)生浪涌電流。采用一個大輸入電容可提供電荷“緩沖器”，從而最大程度地降低電荷注入。那么，最大程度地降低輸入紋波會對電池運(yùn)行時(shí)間有哪些影響？根據(jù)電池化學(xué)成分的不同，內(nèi)阻的影響可能很顯著，此時(shí)電池的脈沖電流會導(dǎo)致電池中產(chǎn)生很大壓降。在電池和轉(zhuǎn)換器之間放置一個較大的輸入電容，可降低瞬時(shí)電流消耗以及電池上產(chǎn)生的壓降。通過盡可能地減少這些壓降，可在達(dá)到最低電池電壓之前延長電池的運(yùn)行時(shí)間。

現(xiàn)在，我們來看一下輸出電容。對于長時(shí)間處于待機(jī)或休眠模式的低功耗應(yīng)用，可能不需要穩(wěn)壓器一直運(yùn)行。在這種情況下，可使用較大的輸出電容來提供負(fù)載所需的低電流，從而使應(yīng)用更加節(jié)能。這樣可根據(jù)需要開啟和關(guān)閉穩(wěn)壓器來“增加”電容電荷。

另一種常用于最大化電池運(yùn)行時(shí)間的技術(shù)是動態(tài)電壓調(diào)節(jié)。數(shù)字負(fù)載（如單片機(jī)）需要的電流較低，因此在低電壓下工作時(shí)功耗也較低。但是，當(dāng)單片機(jī)在低電壓下工作時(shí)，其性能在處理速度和輸出能力方面會受到限制。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)的理念是：當(dāng)單片機(jī)處于待機(jī)或休眠模式時(shí)，使其運(yùn)行在較低電壓下（從而降低功耗）；當(dāng)需要單片機(jī)處理或傳輸信息時(shí)，則將電壓升高。

此技術(shù)已廣泛應(yīng)用于計(jì)算應(yīng)用，并可用于許多其他電池供電的應(yīng)用（其中單片機(jī)具有多種工作狀態(tài)）。

一些應(yīng)用必須“始終工作”，例如一氧化碳檢測器必須對每個微粒進(jìn)行分析。但是，許多應(yīng)用不需要連續(xù)工作，而是可以保持在待機(jī)或休眠狀態(tài)，需要時(shí)才喚醒。這些類型的應(yīng)用示例包括智能水表（通常狀態(tài)只是等待水流過）、遙控以及基于照片的煙霧探測器（可定期檢測室內(nèi)是否有煙霧，而不是連續(xù)工作）。

數(shù)字器件的功耗有資料記載可以預(yù)先了解。比如，單片機(jī)有多種工作模式，并且可以開啟和關(guān)閉內(nèi)部外設(shè)，以節(jié)省更多功耗。喚醒單片機(jī)以及從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的過程也都有詳細(xì)記載，有時(shí)你會發(fā)現(xiàn)使單片機(jī)處于工作狀態(tài)可能比在兩種模式之間轉(zhuǎn)換更節(jié)能。重申一下，所關(guān)注的參數(shù)均有記載，通常設(shè)計(jì)人員可以預(yù)先了解。

但是，在模擬方面，這些要關(guān)注的參數(shù)就不是那么明確了。對于連續(xù)工作的系統(tǒng)，選擇工作電流最低且滿足其他設(shè)計(jì)要求的模擬IC仍然是關(guān)鍵。對于不連續(xù)工作的系統(tǒng)，選擇低電流模擬IC似乎仍然是延長電池運(yùn)行時(shí)間的最佳解決方案。然而，除了所需電流外，還必須考慮器件的穩(wěn)定時(shí)間。在許多情況下，選擇電流更高但速度更快的器件從長遠(yuǎn)來看可能更節(jié)能。