電池供電裝置的低功耗分析

　從制造過程開始，一直到所有的應用領域，極低功耗技術逐漸成為所有設計中必不可少的需求。對能源敏感的應用，特別是必須以單顆電池提供連續數小時運作時間的產品，更需要加入超低功耗設計概念。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到連續使用10、15甚至20年卻無須更換電池的目標，應該如何設計一款裝置。

　　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用。傳統上，這些復雜應用都以一種較方便的觀點來分析其用電量，針對使用范例的應用和電源來提出假設，以便產生“典型”的功耗。

　　然而，舉例來說，要實現可連續操作20年的單電池供電應用，應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算中更加關鍵。

　　業界標準的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，標稱(無負載)電壓為3.0V。在實際應用中，要達到最長的電池壽命，就必須使用一個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范圍內良好運作，同時提供正確的混合處理能力，并整合外圍和芯片上內存。

　　圖1：MCU睡眠電流與電池壽命之間的關系。

　　當每nA的功耗都至關重要時，僅僅對性能或功耗做假設的方法已不再是絕對可行的。為了評估對設計最佳的選擇，有必要審視更多參數，盡管在一些對能源較不敏感的應用中，這些參數看來并不十分關鍵。例如，目前針對進階睡眠模式的超低功耗微控制器已經非常普遍了，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。知名的微控制器產品系列能夠展現出高于1,700%的變化。因此，針對超低功耗設計，重點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內存，且接腳必須兼容。

　　另一個重點是必須評估隨著時間推移，設備電池電量的變化。所有的工程師都明白，一次電池隨時間變化的電壓在很大程度上是取決于電池的架構和負載。以CR2032為例，一對AA/AAA堿性電池便具有不同的放電模式，因此，一個設計良好的應用，必須能在不同的電池條件下都可以相同效能運作(圖2) 。

　　圖2：不同電池的使用壽命。