设计单电源、低功耗系统的考虑因素：电池供电系统

本文讨论了使用传统（即非单电源特性）有源器件（如运算放大器、A/D和D/A转换器等）转换为单电源系统的影响和性能权衡，然后进一步介绍了ADI公司的几个新产品系列和工艺，这些产品系列和工艺提供单电源操作，不受传统器件速度和动态范围的限制。在此，我们继续介绍低功耗操作设计中涉及的考虑因素，特别是对于带电池的便携式和远程应用。

电池供电系统

在电池供电的系统中，时间是关键参数。与电源电压在指定范围内变化且额定电流的可用性不受限制的交流供电系统不同，电池在需要充电或更换之前只能在有限的时间内供电。此外，当电池放电时，电流消耗越大，电池电压（或电源轨）下降越大（图 1）。

图1.电池放电作为电流放电率的函数。

因此，设计一个高效的电池供电系统的关键是：（a） 通过最小化电路消耗的电流，特别是连续的“静态电流”，最大限度地延长电池寿命;（b） 通过最小化电路消耗的电流，特别是连续的“静态电流”，最大限度地延长电池寿命;（b） 通过最小化电路消耗的电流，特别是连续的“静态电流”，最大限度地延长电池寿命;（b） 通过最小化电路消耗的电流，特别是连续的“静态电流”，最大限度地延长电池寿命;（c） 通过最小化电路消耗的电流，特别是连续的“静态电流”，最大限度地延长电池寿命;（（b）如有必要，通过在电池和负载之间使用某种形式的调节电路，在放电期间将提供给负载的电压保持在恒定水平。例如，容量为 100 mA 小时的电池为消耗 1 mA 的电路供电，在需要充电或更换之前，将运行大约 100 小时。如果该静态电流降低到100 uA，则电池寿命理想情况下增加到约1，000小时。

在设计电池供电系统之前，了解系统使用的环境、要求和工作条件非常重要;这将使设计人员能够确定应使用哪种类型的电池（例如，初级或次级电池），以及需要更换或充电电池的频率。

例如，便携式工业数据记录仪或紧急医疗监视器等系统通常可以在夜间（或不使用时）充电，因此可以使用辅助或可充电电池。另一方面，远程气象站、地震数据记录仪或信号信标等低功耗电池供电设备可能需要运行数周甚至数月而无需更换电池或充电;对于此类应用，可以选择“一次性”初级电池。

调节电池输出：电池和负载之间的稳压器在电池放电期间保持电源轨恒定电压。这可能很重要，原因如下：

• 对于运算放大器和其他类似的线性器件，电源电压的变化可能会使直流输入失调电压与其预调整值不平衡。在大多数情况下，偏移的这种微小变化可能对系统的精度几乎没有影响;但是，在高精度或低级应用中，这可能是一个问题。

例如，大多数精密运算放大器在直流时的电源抑制（PSR）约为120至100 dB。这相当于每伏电源变化 1 到 10 微伏。如果电源（电池）电压从5.0 V降至3.0 V，则输入失调电压的偏移将为

对于100 dB（至0.001%）的电源抑制，这相当于失调变化为20 μV。在使用灵敏的B、R和S型热电偶的温度监测系统中，这可能代表大量的度数，温度灵敏度约为10 μV/°C或更低。

图2.电压调节器和电池放电的影响。

• 一些设计人员可能会使用电源轨作为模数转换器和/或数模转换器的基准。除非测量是比率式的，否则使用原电池输出作为基准电压会导致精度问题。例如，电池电压的两伏偏移可能导致数据转换器的比例因子下降40%。n位A/D或D/A转换器的LSB（最低有效位）权重为V裁判/2n.将5 V与V的电源电压进行比较，用作参考：

2exp（n） 5 V 3 V

2EX（-12） 1.22 μV 732 μV

2EX（-16） 76 μV 46 μV

稳压器器件，如REF19x系列，可用于稳定电源或基准电压。它们将输出电压保持在恒定水平，直到稳压器达到其“压差”电压，即稳压器无法再保持其输出恒定的值（图 2）。

使用稳压器确实需要稍高的电池电压，但低压差类型可以最大限度地减少额外电池的使用。例如，3V REF193的压差范围从0 mA负载时的8.10 V到最小负载下的0.3 V。

延长电池寿命： 延长电池工作时间的三种方法是：（1）如果需要连续工作，则最小化静态电流;（2）脉冲打开和关闭负载，使电池以较低的占空比运行;（3） 不使用时关闭电路。

（1） 最小化静态电流：系统中的整体静态电流可以通过以下方式最小化

（a）按比例增加电路中所有偏置电阻的值（并不总是一个好主意，因为它可能导致更高的约翰逊或电阻噪声水平）

（b） 使用单片器件，例如运算放大器或数据转换器，这些器件设计为在+3 V至+5 V单电源轨下以低功耗（<1 mA）或“微功耗”（<100 μA）电平工作。随着市场上越来越多的器件上市，解决方案的选择正在扩大，以满足各种工作功率预算;包括：运算放大器、数据转换器、多路复用器、开关、基准等。

图3是使用单电源、低功耗器件的典型电池供电、多通道数据采集“信号链”示例。

图3.完整的 3V 供电数据采集系统。

（2） 脉冲负载的开启和关闭：当需要采样测量时，这是一种有用的方法。例如，REF19x系列具有TTL“睡眠”控制输入，允许负载图（例如15 mA）定期打开和关闭，剩余静态电流消耗为5 μA。

（3） 关闭电路：关闭电路（一般情况下脉冲打开和关闭负载）是节省电池电量的另一种方法。与脉冲情况一样，它有一些潜在的问题，在实施之前需要了解：

（a） 电池打开后，必须留出时间让所有电路稳定下来。一个突出的例子是用于A/D和/或D/A转换器的内部（或外部）基准电压源。如果导通后没有足够的时间使基准电压源稳定，并且执行A-D转换或D-A更新，则会发生增益误差。如果对基准输出进行滤波以降低噪声，则建立时间会进一步增加;滤波器电容需要额外的时间才能充电至其全部值。

（b） 在仍应用模拟或数字信号的情况下关闭放大器或数据转换器不是一个好主意。对于运算放大器，在电源轨未通电的情况下，将正信号施加到未受保护的运算放大器的正输入或负输入时，会导致内部p-n结正向偏置，从而导致电流从信号源流向电源轨（图4）。如果允许电流在未受保护的放大器中流动足够长的时间，则由于走线的“金属迁移”或降解（蒸发），放大器可能会损坏。

 

图4.正向偏置内部P-N结。

A-D和D-A转换器也存在同样的问题，如果电源关闭，但转换器的数字输入端的输入逻辑信号仍然有效。

图5.AD7896的时序图，显示了正常工作模式（a）与睡眠模式（b）。

（c） 目前市场上许多较新的低功耗设备都具有掉电或“睡眠”工作模式，其中设备的某些功能被关闭以节省电源，但设备本身仍然处于“活动状态”，因为它保持其工作状态。例如，关断的数模转换器仍将保留其锁存数字数据。具有省电或“睡眠”工作模式的器件通常设计为在省电模式下不受其输入端存在的模拟或数字信号的影响。

具有独特特性的器件示例是AD7896 12位采样模数转换器。AD7896具有专有的自动关断模式，转换完成后，A/D自动进入“睡眠”模式，并在下一个转换周期之前自动“唤醒”。在“睡眠”工作模式下，静态电流降低一千倍，从4 mA降至5 μA。

电池入门

电池由一个能量电池或一组串联堆叠以获得更高电压或并联以获得更高输出电流的电池组成。

电池的电能是由其阳极、阴极和电解质材料之间的化学反应产生的。值得注意的是，在电池术语中，正极端子是阴极，负极端子是阳极。

用于阳极、阴极和电解质的材料及其数量主要决定了电池的输出容量，以安培小时 （Ah） 或瓦时 （Wh） 为单位。其他因素，如能量密度（Ah/kg）、相对尺寸、成本、热稳定性、储存寿命等，也是材料选择的函数。该图比较了几种原电池类型的放电特性。

电池分为主电池（不可充电）、辅助电池（可充电电池）或备用电池（激活前不活动）：

原电池通常相对便宜;它们通常用于期望以最小电流消耗长期运行的应用。示例包括汽车的微型远程激活装置，用于“无钥匙”进入/报警、便携式手持万用表、便携式远程数据记录器、远程或紧急信号设备等。收音机、手电筒、玩具等中的标准 AA、C 和 D 尺寸干电池是低成本消费型原电池的例子。

二次电池具有可充电的优点;它们通常用于交流供电系统中的备用电池（例如，大型计算机或应急照明系统），其中二次电池由系统连续充电，或需要在短时间内突发高能量输出的应用中，例如便携式电动工具。

备用电池设计用于长期存储，在添加关键化学元素（通常是电解质）之前无法提供任何输出。汽车经销商货架上的汽车 12 伏电池就是备用电池的一个例子。

下图列出了最常见的电池类型及其属性：

 

电池	类型	阳极	阴极	电池伏特	Ah/kg
Alkaline	Primary	Zn	MNO2	1.5	224
Lithium	Primary	Li	MNO2	3.5	286
Lithium	Primary	Li	SO2	3.1	379
Lead-acid	Secondary	Pb	PbO2	2.1	120
Nickel-Cadmium (Ni-Cd)	Secondary	Cd	Ni Oxide	1.35	181
Nickel Metal-Hydride	Secondary	MH	Ni Oxide	1.35	206

 

审核编辑：郭婷