設計單電源、低功耗系統(tǒng)的考慮因素：電池供電系統(tǒng)

電池供電系統(tǒng)

在電池供電的系統(tǒng)中，時間是關鍵參數。與電源電壓在指定范圍內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間內供電。此外，當電池放電時，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。

因此，設計一個高效的電池供電系統(tǒng)的關鍵是：（a） 通過最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長電池壽命;（b） 通過最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長電池壽命;（b） 通過最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長電池壽命;（b） 通過最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長電池壽命;（c） 通過最小化電路消耗的電流，特別是連續(xù)的“靜態(tài)電流”，最大限度地延長電池壽命;（（b）如有必要，通過在電池和負載之間使用某種形式的調節(jié)電路，在放電期間將提供給負載的電壓保持在恒定水平。例如，容量為 100 mA 小時的電池為消耗 1 mA 的電路供電，在需要充電或更換之前，將運行大約 100 小時。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。

在設計電池供電系統(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;這將使設計人員能夠確定應使用哪種類型的電池（例如，初級或次級電池），以及需要更換或充電電池的頻率。

例如，便攜式工業(yè)數據記錄儀或緊急醫(yī)療監(jiān)視器等系統(tǒng)通?？梢栽谝归g（或不使用時）充電，因此可以使用輔助或可充電電池。另一方面，遠程氣象站、地震數據記錄儀或信號信標等低功耗電池供電設備可能需要運行數周甚至數月而無需更換電池或充電;對于此類應用，可以選擇“一次性”初級電池。

調節(jié)電池輸出：電池和負載之間的穩(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：

? 對于運算放大器和其他類似的線性器件，電源電壓的變化可能會使直流輸入失調電壓與其預調整值不平衡。在大多數情況下，偏移的這種微小變化可能對系統(tǒng)的精度幾乎沒有影響;但是，在高精度或低級應用中，這可能是一個問題。

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

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

圖2.電壓調節(jié)器和電池放電的影響。

? 一些設計人員可能會使用電源軌作為模數轉換器和/或數模轉換器的基準。除非測量是比率式的，否則使用原電池輸出作為基準電壓會導致精度問題。例如，電池電壓的兩伏偏移可能導致數據轉換器的比例因子下降40%。n位A/D或D/A轉換器的LSB（最低有效位）權重為在裁判/2n.將5 V與V的電源電壓進行比較，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)定電源或基準電壓。它們將輸出電壓保持在恒定水平，直到穩(wěn)壓器達到其“壓差”電壓，即穩(wěn)壓器無法再保持其輸出恒定的值（圖 2）。

使用穩(wěn)壓器確實需要稍高的電池電壓，但低壓差類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負載時的8.10 V到最小負載下的0.3 V。

延長電池壽命： 延長電池工作時間的三種方法是：（1）如果需要連續(xù)工作，則最小化靜態(tài)電流;（2）脈沖打開和關閉負載，使電池以較低的占空比運行;（3） 不使用時關閉電路。

（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（并不總是一個好主意，因為它可能導致更高的約翰遜或電阻噪聲水平）

（b） 使用單片器件，例如運算放大器或數據轉換器，這些器件設計為在+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。隨著市場上越來越多的器件上市，解決方案的選擇正在擴大，以滿足各種工作功率預算;包括：運算放大器、數據轉換器、多路復用器、開關、基準等。

圖3是使用單電源、低功耗器件的典型電池供電、多通道數據采集“信號鏈”示例。

圖3.完整的 3V 供電數據采集系統(tǒng)。

（2） 脈沖負載的開啟和關閉：當需要采樣測量時，這是一種有用的方法。例如，REF19x系列具有TTL“睡眠”控制輸入，允許負載圖（例如15 mA）定期打開和關閉，剩余靜態(tài)電流消耗為5 μA。

（3） 關閉電路：關閉電路（一般情況下脈沖打開和關閉負載）是節(jié)省電池電量的另一種方法。與脈沖情況一樣，它有一些潛在的問題，在實施之前需要了解：

（a） 電池打開后，必須留出時間讓所有電路穩(wěn)定下來。一個突出的例子是用于A/D和/或D/A轉換器的內部（或外部）基準電壓源。如果導通后沒有足夠的時間使基準電壓源穩(wěn)定，并且執(zhí)行A-D轉換或D-A更新，則會發(fā)生增益誤差。如果對基準輸出進行濾波以降低噪聲，則建立時間會進一步增加;濾波器電容需要額外的時間才能充電至其全部值。

（b） 在仍應用模擬或數字信號的情況下關閉放大器或數據轉換器不是一個好主意。對于運算放大器，在電源軌未通電的情況下，將正信號施加到未受保護的運算放大器的正輸入或負輸入時，會導致內部p-n結正向偏置，從而導致電流從信號源流向電源軌（圖4）。如果允許電流在未受保護的放大器中流動足夠長的時間，則由于走線的“金屬遷移”或降解（蒸發(fā)），放大器可能會損壞。

圖4.正向偏置內部P-N結。

A-D和D-A轉換器也存在同樣的問題，如果電源關閉，但轉換器的數字輸入端的輸入邏輯信號仍然有效。

圖5.AD7896的時序圖，顯示了正常工作模式（a）與睡眠模式（b）。

（c） 目前市場上許多較新的低功耗設備都具有掉電或“睡眠”工作模式，其中設備的某些功能被關閉以節(jié)省電源，但設備本身仍然處于“活動狀態(tài)”，因為它保持其工作狀態(tài)。例如，關斷的數模轉換器仍將保留其鎖存數字數據。具有省電或“睡眠”工作模式的器件通常設計為在省電模式下不受其輸入端存在的模擬或數字信號的影響。

具有獨特特性的器件示例是AD7896 12位采樣模數轉換器。AD7896具有專有的自動關斷模式，轉換完成后，A/D自動進入“睡眠”模式，并在下一個轉換周期之前自動“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

電池由一個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極、陰極和電解質材料之間的化學反應產生的。值得注意的是，在電池術語中，正極端子是陰極，負極端子是陽極。

用于陽極、陰極和電解質的材料及其數量主要決定了電池的輸出容量，以安培小時 （Ah） 或瓦時 （Wh） 為單位。其他因素，如能量密度（Ah/kg）、相對尺寸、成本、熱穩(wěn)定性、儲存壽命等，也是材料選擇的函數。該圖比較了幾種原電池類型的放電特性。[摘自《電子藝術》，第2版，作者：Paul Horowitz和Winfield Hill，作者改編自電池文獻。劍橋（英國）： 劍橋大學出版社， 1989.

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）：

原電池通常相對便宜;它們通常用于期望以最小電流消耗長期運行的應用。示例包括汽車的微型遠程激活裝置，用于“無鑰匙”進入/報警、便攜式手持萬用表、便攜式遠程數據記錄器、遠程或緊急信號設備等。收音機、手電筒、玩具等中的標準 AA、C 和 D 尺寸干電池是低成本消費型原電池的例子。

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

備用電池設計用于長期存儲，在添加關鍵化學元素（通常是電解質）之前無法提供任何輸出。汽車經銷商貨架上的汽車 12 伏電池就是備用電池的一個例子。

下圖列出了最常見的電池類型及其屬性：

審核編輯：郭婷