電池供電裝置的低功耗分析

　從制造過程開始，一直到所有的應(yīng)用領(lǐng)域，極低功耗技術(shù)逐漸成為所有設(shè)計(jì)中必不可少的需求。對(duì)能源敏感的應(yīng)用，特別是必須以單顆電池提供連續(xù)數(shù)小時(shí)運(yùn)作時(shí)間的產(chǎn)品，更需要加入超低功耗設(shè)計(jì)概念。要滿足這些要求，就必須整合微控制器，這不僅要了解電池特性，還必須深入了解為了達(dá)到連續(xù)使用10、15甚至20年卻無須更換電池的目標(biāo)，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)一款裝置。

　　要在極低功耗條件下操作，就必須用全新的方法來看待這些極低功耗應(yīng)用。傳統(tǒng)上，這些復(fù)雜應(yīng)用都以一種較方便的觀點(diǎn)來分析其用電量，針對(duì)使用范例的應(yīng)用和電源來提出假設(shè)，以便產(chǎn)生“典型”的功耗。

　　然而，舉例來說，要實(shí)現(xiàn)可連續(xù)操作20年的單電池供電應(yīng)用，應(yīng)用必須汲取比該電池自放電率更低的功率，這使得每nA的功率在整體功率預(yù)算中更加關(guān)鍵。

　　業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的CR2032鈕扣式電池自放電電流可少于250nA。CR2032是一種常見的鋰/二氧化錳電池，標(biāo)稱(無負(fù)載)電壓為3.0V。在實(shí)際應(yīng)用中，要達(dá)到最長(zhǎng)的電池壽命，就必須使用一個(gè)高集成度的微控制器(MCU)。在睡眠模式下，該MCU必須能在低于在1μA范圍內(nèi)良好運(yùn)作，同時(shí)提供正確的混合處理能力，并整合外圍和芯片上內(nèi)存。

　　圖1：MCU睡眠電流與電池壽命之間的關(guān)系。

　　當(dāng)每nA的功耗都至關(guān)重要時(shí)，僅僅對(duì)性能或功耗做假設(shè)的方法已不再是絕對(duì)可行的。為了評(píng)估對(duì)設(shè)計(jì)最佳的選擇，有必要審視更多參數(shù)，盡管在一些對(duì)能源較不敏感的應(yīng)用中，這些參數(shù)看來并不十分關(guān)鍵。例如，目前針對(duì)進(jìn)階睡眠模式的超低功耗微控制器已經(jīng)非常普遍了，然而，為全系列微控制器定相同睡眠模式功耗的做法也許不甚正確。知名的微控制器產(chǎn)品系列能夠展現(xiàn)出高于1,700%的變化。因此，針對(duì)超低功耗設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在所選擇的微控制器系列能夠在不犧牲低功耗性能的條件下升級(jí)內(nèi)存，且接腳必須兼容。

　　另一個(gè)重點(diǎn)是必須評(píng)估隨著時(shí)間推移，設(shè)備電池電量的變化。所有的工程師都明白，一次電池隨時(shí)間變化的電壓在很大程度上是取決于電池的架構(gòu)和負(fù)載。以CR2032為例，一對(duì)AA/AAA堿性電池便具有不同的放電模式，因此，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的應(yīng)用，必須能在不同的電池條件下都可以相同效能運(yùn)作(圖2) 。

　　圖2：不同電池的使用壽命。