电池供电装置的低功耗设计

从制造过程开始，一直到所有的应用领域，极低功耗技术逐渐成为所有设计中必不可少的需求。对能源敏感的应用，特别是必须以单颗电池供应持续数小时运作时间的产品，更要加入超低功耗设计概念。要满足这些要求，就必须整合微控制器，这不仅要了解电池特性，还必须深入了解为了达到持续使用10、15甚至20年却无须更换电池的目标，应该如何设计一款装置。

要在极低功耗条件下操作，就必须用全新的方法来看待这些极低功耗应用。传统上，这些复杂应用都以一种较方便的观点来分析其用电量，针对使用范例的应用和电源来提出假设，以便出现典型的功耗。

然而，举例来说，要实现可持续操作20年的单电池供电应用，应用必须汲取比该电池自放电率更低的功率，这使得每nA的功率在整体功率预算中更加关键。

业界标准的CR2032钮扣式电池自放电电流可少于250nA。CR2032是一种常见的锂/二氧化锰电池，标称(无负载)电压为3.0V。在实际应用中，要达到最长的电池寿命，就必须使用一个高集成度的微控制器(MCU)。在睡眠模式下，该MCU必须能在低于在1A范围内良好运作，同时供应正确的混合处理能力，并整合外围和芯片上内存。

图1：MCU睡眠电流与电池寿命之间的关系。

当每nA的功耗都至关重要时，仅仅对性能或功耗做假设的方法已不再是绝对可行的。为了评估对设计最佳的选择，有必要审视更多参数，尽管在一些对能源较不敏感的应用中，这些参数看来并不十分关键。例如，目前针对进阶睡眠模式的超低功耗微控制器已经非常普遍了，然而，为全系列微控制器定相同睡眠模式功耗的做法也许不甚正确。知名的微控制器产品系列能够展现出高于1,700%的变化。因此，针对超低功耗设计，重点在所选择的微控制器系列能够在不牺牲低功耗性能的条件下升级内存，且接脚必须兼容。

另一个重点是必须评估随着时间推移，设备电池电量的变化。所有的工程师都明白，一次电池随时间变化的电压在很大程度上是取决于电池的架构和负载。以CR2032为例，一对AA/AAA碱性电池便具有不同的放电模式，因此，一个设计良好的应用，必须能在不同的电池条件下都可以相同效能运作(图2)。

图2：不同电池的使用寿命。