使嵌入式控制系统电池寿命最大化的低功耗模拟技术 控制系统, 电子设备, 供电所, 嵌入式, 电池

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电池是便携式电子设备的核心，提供为内部电路供电所需的电能。由于电池的作用如此关键，因此有必要对当前便携式电子设备中的各种电池化学成分以及其中几种成分的特性进行简要介绍。目前，便携式电子设备中的电池化学成分主要有四种类型，分别是碱性、镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）和锂离子（Li-Ion）。
碱性电池基于锌与二氧化锰之间的反应。典型的碱性电池在充满电时可产生约1.5V的电压。电池的电压将随着电能的消耗而降低，当电能消耗90%时电压约为0.9V。碱性电池的容量相对较大，但内阻也高，因此对于漏电流较大的应用（例如照相机闪光灯、遥控汽车和电动工具），此类电池的效率非常低。
镍镉电池仍被用于高电流应用。这种电池非常耐用，而且成本低。镍镉电池的标称电压为1.2V，在电池寿命结束时电压将降至0.9V。由于其能量密度相对较低，并且存在有毒金属，因此越来越多的应用不再使用镍镉电池。镍镉电池的另外一个缺点是需要定期完全放电。这用来防止电池板上形成大块晶体，因为这种晶体会影响电池的寿命和性能。
镍氢电池比镍镉电池更为普及，因为镍氢电池更加环保，并且能量密度高出约40%。镍氢电池的标称电压约为1.25V，在电池寿命结束时电压将低于1.0V。但是，镍氢电池不如镍镉电池耐用，在大负载和极端温度下工作时，电池寿命会缩短。镍氢电池还有相当高的自放电速率。
锂离子电池已成为主导，大多数便携式消费类电子设备均采用这种电池化学成分。单节锂离子电池充满电时的开路电压约为3.6V，当电量完全耗尽时电压将降至约2.7V。这种电池化学成分具有多种优点，包括重量轻、电压高以及可塑性强（对于锂聚合物电池）。此外，锂离子/锂聚合物电池的能量密度还在不断增大（当前大约是标准镍镉电池的二倍），而成本在不断降低。锂离子电池的缺点是过充有可能会导致爆炸。出于安全考虑，一些制造商在对尺寸和重量要求不是特别严格的应用中仍采用镍氢电池。

      

便携式电子设备的不断涌现迫使系统设计人员越来越关注于电源管理电路的设计，他们需要了解各种直流-直流转换器的架构，才能使设计的整体性能最优化。转换器的拓扑有多种类型，包括线性稳压器、开关式稳压器和电荷泵。
线性稳压器使用电压控制的电流源来产生给定的输出电压。线性稳压器分为几种不同类型，但对于电池供电的应用，最常用的是低压差稳压器（LDO）。此类线性稳压器使用P沟道传输晶体管作为具有反馈的可变电阻，以调整输出电压。
在开关式稳压器的最基本形式中，使用二极管、电感和开关来传输输入端的能量以提供给定输出。开关式稳压器可配置为多种不同的拓扑，包括降压、升压以及降压/升压。降压开关式稳压器提供的稳压输出电压低于输入电压，与LDO的功能类似。升压开关式稳压器提供的输出电压高于输入电压。LDO无法实现此功能。最后，降压/升压拓扑可为一定范围内高于和/或低于输出电压的输入电压提供稳压输出。
电荷泵使用电容作为储能器件。开关将电容的极板连接到输入电压，使其能对输入电压进行双倍、三倍、反相或二等分处理，甚至产生任意的稳压输出电压，具体则取决于电路拓扑。由于电荷泵对电容进行充电和放电来传递能量，因此与上文所述的其他转换器相比，此类转换器可提供的输出电流总量相对较低：通常不会超过几百毫安。
上文讨论的全部三种直流-直流转换器均有各自的优点和缺点，如表1所示。可根据具体应用以及最重要的参数选择合适的拓扑。如果优先考虑延长电池寿命，则高效的开关式稳压器可能是最佳解决方案。如果噪声是一大问题，则线性稳压器是不错的选择。无论是哪种应用，要实现所需的系统性能，都必须关注于电源管理电路。


      

目前有一些技术可通过直流/直流转换来延长电池的运行时间。图1所示的电路中突出显示了输入和输出电容相对于直流/直流转换器的放置。开关式稳压器在断开和闭合输入开关时会在输入引脚上产生浪涌电流。采用一个大输入电容可提供电荷“缓冲器”，从而最大程度地降低电荷注入。那么，最大程度地降低输入纹波会对电池运行时间有哪些影响？根据电池化学成分的不同，内阻的影响可能很显著，此时电池的脉冲电流会导致电池中产生很大压降。在电池和转换器之间放置一个较大的输入电容，可降低瞬时电流消耗以及电池上产生的压降。通过尽可能地减少这些压降，可在达到最低电池电压之前延长电池的运行时间。

现在，我们来看一下输出电容。对于长时间处于待机或休眠模式的低功耗应用，可能不需要稳压器一直运行。在这种情况下，可使用较大的输出电容来提供负载所需的低电流，从而使应用更加节能。这样可根据需要开启和关闭稳压器来“增加”电容电荷。
另一种常用于最大化电池运行时间的技术是动态电压调节。数字负载（如单片机）需要的电流较低，因此在低电压下工作时功耗也较低。但是，当单片机在低电压下工作时，其性能在处理速度和输出能力方面会受到限制。动态电压调节的理念是：当单片机处于待机或休眠模式时，使其运行在较低电压下（从而降低功耗）；当需要单片机处理或传输信息时，则将电压升高。
此技术已广泛应用于计算应用，并可用于许多其他电池供电的应用（其中单片机具有多种工作状态）。
一些应用必须“始终工作”，例如一氧化碳检测器必须对每个微粒进行分析。但是，许多应用不需要连续工作，而是可以保持在待机或休眠状态，需要时才唤醒。这些类型的应用示例包括智能水表（通常状态只是等待水流过）、遥控以及基于照片的烟雾探测器（可定期检测室内是否有烟雾，而不是连续工作）。
数字器件的功耗有资料记载可以预先了解。比如，单片机有多种工作模式，并且可以开启和关闭内部外设，以节省更多功耗。唤醒单片机以及从休眠模式转换到工作模式的过程也都有详细记载，有时你会发现使单片机处于工作状态可能比在两种模式之间转换更节能。重申一下，所关注的参数均有记载，通常设计人员可以预先了解。
但是，在模拟方面，这些要关注的参数就不是那么明确了。对于连续工作的系统，选择工作电流最低且满足其他设计要求的模拟IC仍然是关键。对于不连续工作的系统，选择低电流模拟IC似乎仍然是延长电池运行时间的最佳解决方案。然而，除了所需电流外，还必须考虑器件的稳定时间。在许多情况下，选择电流更高但速度更快的器件从长远来看可能更节能。