設(shè)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(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間內(nèi)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(shù)。

因此，設(shè)計一個高效的電池供電系統(tǒng)的關(guān)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(diào)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(shè)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(shè)計人員能夠確定應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄儀或信號信標等低功耗電池供電設(shè)備可能需要運行數(shù)周甚至數(shù)月而無需更換電池或充電;對于此類應(yīng)用，可以選擇“一次性”初級電池。

調(diào)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(diào)電壓與其預調(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系統(tǒng)的精度幾乎沒有影響;但是，在高精度或低級應(yīng)用中，這可能是一個問題。

例如，大多數(shù)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(diào)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(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)計人員可能會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。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(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(guān)閉負載，使電池以較低的占空比運行;（3） 不使用時關(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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這些器件設(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、多路復用器、開關(guān)、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(shù)據(jù)采集“信號鏈”示例。

圖3.完整的 3V 供電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2） 脈沖負載的開啟和關(guān)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(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和關(guān)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(zhuǎn)換器的內(nèi)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(zhuǎn)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(yīng)用模擬或數(shù)字信號的情況下關(guān)閉放大器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(nèi)部p-n結(jié)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(nèi)部P-N結(jié)。

A-D和D-A轉(zhuǎn)換器也存在同樣的問題，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(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“活動狀態(tài)”，因為它保持其工作狀態(tài)。例如，關(guān)斷的數(shù)模轉(zhuǎn)換器仍將保留其鎖存數(shù)字數(shù)據(jù)。具有省電或“睡眠”工作模式的器件通常設(shè)計為在省電模式下不受其輸入端存在的模擬或數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7896具有專有的自動關(guān)斷模式，轉(zhuǎn)換完成后，A/D自動進入“睡眠”模式，并在下一個轉(zhuǎn)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(zhì)材料之間的化學反應(yīng)產(chǎn)生的。值得注意的是，在電池術(shù)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(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 （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(shù)。該圖比較了幾種原電池類型的放電特性。[摘自《電子藝術(shù)》，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(yīng)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(shù)據(jù)記錄器、遠程或緊急信號設(shè)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(yīng)急照明系統(tǒng)），其中二次電池由系統(tǒng)連續(xù)充電，或需要在短時間內(nèi)突發(fā)高能量輸出的應(yīng)用中，例如便攜式電動工具。

備用電池設(shè)計用于長期存儲，在添加關(guān)鍵化學元素（通常是電解質(zhì)）之前無法提供任何輸出。汽車經(jīng)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