設(shè)計(jì)單電源、低功耗系統(tǒng)的考慮因素：電池供電系統(tǒng)

本文討論了使用傳統(tǒng)（即非單電源特性）有源器件（如運(yùn)算放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等）轉(zhuǎn)換為單電源系統(tǒng)的影響和性能權(quán)衡，然后進(jìn)一步介紹了ADI公司的幾個(gè)新產(chǎn)品系列和工藝，這些產(chǎn)品系列和工藝提供單電源操作，不受傳統(tǒng)器件速度和動(dòng)態(tài)范圍的限制。在此，我們繼續(xù)介紹低功耗操作設(shè)計(jì)中涉及的考慮因素，特別是對(duì)于帶電池的便攜式和遠(yuǎn)程應(yīng)用。

電池供電系統(tǒng)

在電池供電的系統(tǒng)中，時(shí)間是關(guān)鍵參數(shù)。與電源電壓在指定范圍內(nèi)變化且額定電流的可用性不受限制的交流供電系統(tǒng)不同，電池在需要充電或更換之前只能在有限的時(shí)間內(nèi)供電。此外，當(dāng)電池放電時(shí)，電流消耗越大，電池電壓（或電源軌）下降越大（圖 1）。

圖1.電池放電作為電流放電率的函數(shù)。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的電池供電系統(tǒng)的關(guān)鍵是：（a） 通過(guò)最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命;（b） 通過(guò)最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命;（b） 通過(guò)最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命;（b） 通過(guò)最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命;（c） 通過(guò)最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命;（（b）如有必要，通過(guò)在電池和負(fù)載之間使用某種形式的調(diào)節(jié)電路，在放電期間將提供給負(fù)載的電壓保持在恒定水平。例如，容量為 100 mA 小時(shí)的電池為消耗 1 mA 的電路供電，在需要充電或更換之前，將運(yùn)行大約 100 小時(shí)。如果該靜態(tài)電流降低到100 uA，則電池壽命理想情況下增加到約1，000小時(shí)。

在設(shè)計(jì)電池供電系統(tǒng)之前，了解系統(tǒng)使用的環(huán)境、要求和工作條件非常重要;這將使設(shè)計(jì)人員能夠確定應(yīng)使用哪種類(lèi)型的電池（例如，初級(jí)或次級(jí)電池），以及需要更換或充電電池的頻率。

例如，便攜式工業(yè)數(shù)據(jù)記錄儀或緊急醫(yī)療監(jiān)視器等系統(tǒng)通常可以在夜間（或不使用時(shí)）充電，因此可以使用輔助或可充電電池。另一方面，遠(yuǎn)程氣象站、地震數(shù)據(jù)記錄儀或信號(hào)信標(biāo)等低功耗電池供電設(shè)備可能需要運(yùn)行數(shù)周甚至數(shù)月而無(wú)需更換電池或充電;對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，可以選擇“一次性”初級(jí)電池。

調(diào)節(jié)電池輸出：電池和負(fù)載之間的穩(wěn)壓器在電池放電期間保持電源軌恒定電壓。這可能很重要，原因如下：

? 對(duì)于運(yùn)算放大器和其他類(lèi)似的線性器件，電源電壓的變化可能會(huì)使直流輸入失調(diào)電壓與其預(yù)調(diào)整值不平衡。在大多數(shù)情況下，偏移的這種微小變化可能對(duì)系統(tǒng)的精度幾乎沒(méi)有影響;但是，在高精度或低級(jí)應(yīng)用中，這可能是一個(gè)問(wèn)題。

例如，大多數(shù)精密運(yùn)算放大器在直流時(shí)的電源抑制（PSR）約為120至100 dB。這相當(dāng)于每伏電源變化 1 到 10 微伏。如果電源（電池）電壓從5.0 V降至3.0 V，則輸入失調(diào)電壓的偏移將為

對(duì)于100 dB（至0.001%）的電源抑制，這相當(dāng)于失調(diào)變化為20 μV。在使用靈敏的B、R和S型熱電偶的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，這可能代表大量的度數(shù)，溫度靈敏度約為10 μV/°C或更低。

圖2.電壓調(diào)節(jié)器和電池放電的影響。

? 一些設(shè)計(jì)人員可能會(huì)使用電源軌作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器和/或數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)。除非測(cè)量是比率式的，否則使用原電池輸出作為基準(zhǔn)電壓會(huì)導(dǎo)致精度問(wèn)題。例如，電池電壓的兩伏偏移可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的比例因子下降40%。n位A/D或D/A轉(zhuǎn)換器的LSB（最低有效位）權(quán)重為V裁判/2n.將5 V與V的電源電壓進(jìn)行比較，用作參考：

2exp（n） 5 V 3 V

2EX（-12） 1.22 μV 732 μV

2EX（-16） 76 μV 46 μV

穩(wěn)壓器器件，如REF19x系列，可用于穩(wěn)定電源或基準(zhǔn)電壓。它們將輸出電壓保持在恒定水平，直到穩(wěn)壓器達(dá)到其“壓差”電壓，即穩(wěn)壓器無(wú)法再保持其輸出恒定的值（圖 2）。

使用穩(wěn)壓器確實(shí)需要稍高的電池電壓，但低壓差類(lèi)型可以最大限度地減少額外電池的使用。例如，3V REF193的壓差范圍從0 mA負(fù)載時(shí)的8.10 V到最小負(fù)載下的0.3 V。

延長(zhǎng)電池壽命： 延長(zhǎng)電池工作時(shí)間的三種方法是：（1）如果需要連續(xù)工作，則最小化靜態(tài)電流;（2）脈沖打開(kāi)和關(guān)閉負(fù)載，使電池以較低的占空比運(yùn)行;（3） 不使用時(shí)關(guān)閉電路。

（1） 最小化靜態(tài)電流：系統(tǒng)中的整體靜態(tài)電流可以通過(guò)以下方式最小化

（a）按比例增加電路中所有偏置電阻的值（并不總是一個(gè)好主意，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致更高的約翰遜或電阻噪聲水平）

（b） 使用單片器件，例如運(yùn)算放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這些器件設(shè)計(jì)為在+3 V至+5 V單電源軌下以低功耗（<1 mA）或“微功耗”（<100 μA）電平工作。隨著市場(chǎng)上越來(lái)越多的器件上市，解決方案的選擇正在擴(kuò)大，以滿足各種工作功率預(yù)算;包括：運(yùn)算放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、多路復(fù)用器、開(kāi)關(guān)、基準(zhǔn)等。

圖3是使用單電源、低功耗器件的典型電池供電、多通道數(shù)據(jù)采集“信號(hào)鏈”示例。

圖3.完整的 3V 供電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2） 脈沖負(fù)載的開(kāi)啟和關(guān)閉：當(dāng)需要采樣測(cè)量時(shí)，這是一種有用的方法。例如，REF19x系列具有TTL“睡眠”控制輸入，允許負(fù)載圖（例如15 mA）定期打開(kāi)和關(guān)閉，剩余靜態(tài)電流消耗為5 μA。

（3） 關(guān)閉電路：關(guān)閉電路（一般情況下脈沖打開(kāi)和關(guān)閉負(fù)載）是節(jié)省電池電量的另一種方法。與脈沖情況一樣，它有一些潛在的問(wèn)題，在實(shí)施之前需要了解：

（a） 電池打開(kāi)后，必須留出時(shí)間讓所有電路穩(wěn)定下來(lái)。一個(gè)突出的例子是用于A/D和/或D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部（或外部）基準(zhǔn)電壓源。如果導(dǎo)通后沒(méi)有足夠的時(shí)間使基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)定，并且執(zhí)行A-D轉(zhuǎn)換或D-A更新，則會(huì)發(fā)生增益誤差。如果對(duì)基準(zhǔn)輸出進(jìn)行濾波以降低噪聲，則建立時(shí)間會(huì)進(jìn)一步增加;濾波器電容需要額外的時(shí)間才能充電至其全部值。

（b） 在仍應(yīng)用模擬或數(shù)字信號(hào)的情況下關(guān)閉放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器不是一個(gè)好主意。對(duì)于運(yùn)算放大器，在電源軌未通電的情況下，將正信號(hào)施加到未受保護(hù)的運(yùn)算放大器的正輸入或負(fù)輸入時(shí)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部p-n結(jié)正向偏置，從而導(dǎo)致電流從信號(hào)源流向電源軌（圖4）。如果允許電流在未受保護(hù)的放大器中流動(dòng)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，則由于走線的“金屬遷移”或降解（蒸發(fā)），放大器可能會(huì)損壞。

圖4.正向偏置內(nèi)部P-N結(jié)。

A-D和D-A轉(zhuǎn)換器也存在同樣的問(wèn)題，如果電源關(guān)閉，但轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端的輸入邏輯信號(hào)仍然有效。

圖5.AD7896的時(shí)序圖，顯示了正常工作模式（a）與睡眠模式（b）。

（c） 目前市場(chǎng)上許多較新的低功耗設(shè)備都具有掉電或“睡眠”工作模式，其中設(shè)備的某些功能被關(guān)閉以節(jié)省電源，但設(shè)備本身仍然處于“活動(dòng)狀態(tài)”，因?yàn)樗３制涔ぷ鳡顟B(tài)。例如，關(guān)斷的數(shù)模轉(zhuǎn)換器仍將保留其鎖存數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。具有省電或“睡眠”工作模式的器件通常設(shè)計(jì)為在省電模式下不受其輸入端存在的模擬或數(shù)字信號(hào)的影響。

具有獨(dú)特特性的器件示例是AD7896 12位采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7896具有專(zhuān)有的自動(dòng)關(guān)斷模式，轉(zhuǎn)換完成后，A/D自動(dòng)進(jìn)入“睡眠”模式，并在下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期之前自動(dòng)“喚醒”。在“睡眠”工作模式下，靜態(tài)電流降低一千倍，從4 mA降至5 μA。

電池入門(mén)

電池由一個(gè)能量電池或一組串聯(lián)堆疊以獲得更高電壓或并聯(lián)以獲得更高輸出電流的電池組成。

電池的電能是由其陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)材料之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。值得注意的是，在電池術(shù)語(yǔ)中，正極端子是陰極，負(fù)極端子是陽(yáng)極。

用于陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)的材料及其數(shù)量主要決定了電池的輸出容量，以安培小時(shí) （Ah） 或瓦時(shí) （Wh） 為單位。其他因素，如能量密度（Ah/kg）、相對(duì)尺寸、成本、熱穩(wěn)定性、儲(chǔ)存壽命等，也是材料選擇的函數(shù)。該圖比較了幾種原電池類(lèi)型的放電特性。

電池分為主電池（不可充電）、輔助電池（可充電電池）或備用電池（激活前不活動(dòng)）：

原電池通常相對(duì)便宜;它們通常用于期望以最小電流消耗長(zhǎng)期運(yùn)行的應(yīng)用。示例包括汽車(chē)的微型遠(yuǎn)程激活裝置，用于“無(wú)鑰匙”進(jìn)入/報(bào)警、便攜式手持萬(wàn)用表、便攜式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄器、遠(yuǎn)程或緊急信號(hào)設(shè)備等。收音機(jī)、手電筒、玩具等中的標(biāo)準(zhǔn) AA、C 和 D 尺寸干電池是低成本消費(fèi)型原電池的例子。

二次電池具有可充電的優(yōu)點(diǎn);它們通常用于交流供電系統(tǒng)中的備用電池（例如，大型計(jì)算機(jī)或應(yīng)急照明系統(tǒng)），其中二次電池由系統(tǒng)連續(xù)充電，或需要在短時(shí)間內(nèi)突發(fā)高能量輸出的應(yīng)用中，例如便攜式電動(dòng)工具。

備用電池設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)，在添加關(guān)鍵化學(xué)元素（通常是電解質(zhì)）之前無(wú)法提供任何輸出。汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商貨架上的汽車(chē) 12 伏電池就是備用電池的一個(gè)例子。

下圖列出了最常見(jiàn)的電池類(lèi)型及其屬性：

審核編輯：郭婷