当今低功耗、长寿命固态器件的电池注意事项

本文概述了影响低功耗设备电池操作的因素。它解释了如何评估应用的电池。主题包括特定应用的温度范围、电流和电压要求、电池类型和电池燃料容量。它解释了如何计算燃料容量并显示了示例数据。

温度范围

您的电池必须在成品设备的温度范围内工作。尽管这似乎很明显，但很多时候我们看到消费类设备试图在工业或军事环境中制造它。

典型温度范围

消费类 -20°C 至 +60°C（-4°F 至 + 140°F） 工业/军用 -40°C 至 +85°C（-40°F 至 +185°F） 汽车 -40°C 至 +115°C（-40°F 至 +239°F） 地球物理 - 井下 0°C 至 + 150°C（32°F 至 +302°F）

当然，有时可能需要更广泛的东西，但这些是一般类别。

能力

如何计算所需容量

在电池世界中，容量通常以安培小时或毫安小时为单位，由于我们正在处理低功率设备，我们将使用 mAh（毫安小时）该额定值取决于电池的漏极率、所需电压、工作温度和自放电。电池目录通常会列出最有利的额定值，就像汽车的汽车每加仑英里额定值一样。对于用于低到中等速率应用的锂电池，将显示 1，000 小时放电的容量。因此，如果您遇到1，000mAh电池，您可能会认为额定值是针对1mA电阻放电的。随着排水速率的增加，由于放电效率低下，您的容量将减少，随着负载的降低，由于电池的自放电，您的容量将减少。电池制造商提供了曲线来处理这些考虑因素。

电压注意事项

最低电压

您的设备运行的最低电压是多少？许多电池类型在计算容量时显示出不切实际的寿命结束电压。确保您了解所使用的号码。一个例子是常见的日常碱性电池，标称电压为 1.5 伏，但要达到额定容量，您需要在低至 0.8 伏的电压下运行。

标称电压

这是制造商贴在标签上的内容，通过一般使用可能会变得令人困惑，尤其是在处理包含串联电池的电池组时。一个很好的例子是相对较新的锂电池领域，其中一般假设电池是 3.0 伏，然而，现实是电池的电压从 2.8 伏到 3.9 伏，一些特殊电压降至每节电池 1.5 伏。

处理豆类

在观察脉冲时，应考虑脉冲期间的最小电压和对整个电池寿命的影响。需要知道电池的阻抗，该阻抗随电池的使用寿命以及温度而变化，以判断电池中的压降。更复杂的是，脉冲引起的内部反应可能会对电池寿命产生负面影响。使用并联电容器可以大大提高性能和电池寿命。与其他参数一样，如果您停留在电池能力消耗的中心，您应该没有问题，但是当您达到更高的消耗率时，应咨询电池制造商以获取建议。

机械注意事项

内部施工技术

通常，电池被分解成表面积有限的线轴和具有多个表面以增加表面积的螺旋线轴。

线轴 - 由阳极和阴极之间的一个界面组成，通常在锂电池的外周上。通过限制表面积，您还可以限制电池的自放电。这也限制了提供高电流的能力，如果您正在为本质安全应用构建某些东西，这将是一个优势。这些电池通常用于轻度至中等的排水速率。

螺旋 - 通过采用阴极/阳极界面并将其缠绕在山钻上，您可以获得更大的表面积，从而允许更高的排水率。这对于军用收发器中的高漏极应用是必要的。故事的另一面是，当您具有这种高速率能力时，您必须采取措施限制电流，以防止系统在意外短路时自行破坏。

电池座

虽然需要频繁更换电池的设备需要，但它们会在电池选择过程中插入自己的一组可靠性问题。要考虑的事情是材料随时间推移的强度，以保持电池端子上的恒定压力;现在许多支架都带有盖子，这在这方面有所帮助。在低漏极应用中，考虑低电流是否足以使触点保持通过这些低电流的状态。

连接

在营销考虑或可用电路板空间使得使用焊接电池不可行的情况下，这可能是一个很好的折衷方案。

焊接

从可靠性以及初始成本的角度来看，这应该是首选。为什么要费心仔细计算 10 年或更长时间的合适电池，然后在连接方法上妥协。

典型应用

对于实际用途，让我们介绍一些典型的应用。

低功耗数据记录仪

温度范围 -40°C 至 +85°C

最小电压 3.0V 最大电压 4.0V

电源要求，3μA 连续

600μA 读取期间

持续 150 毫秒 读取次数可编程为每分钟 1 次至每 1 分钟 255 次。

首先，以免计算最大功率要求。

由于单位太小，让我们按年数计算。

3μA = 0.003mA × 24（小时/天） × 365 （天/年） = 26.28mAh/年

最坏情况下脉冲负载 60（分钟） × 24（小时） × 365（天）= 每年 525，600 分钟

525，600 × 150毫秒 = 78，840 负载

秒

78，840 ÷ 60（秒） ÷ 60（分钟）= 21.9 小时

21.9 小时 × 0.6 mA = 13.14mAh

运行 1 年所需的总功率为 13.14 + 26.28 = 39.42mAh。 平均漏极速率为 17.52 （mAh） ÷ 8760 （一年中的小时数） = 0.0045mA 或 4.5μA。对于这个数字，我们必须加上电池的自放电;该数字由电池制造商提供，基于负载和温度。

使用图 1，我们可以看到平均消耗为 41/2μA 电池 （TL-5186） 应产生 310mAh（400mAh 电池额定值与 310mAh 之间的差异可归因于自放电） 电池寿命 = 310/41/2μA = 68，889 小时或 7.86 年。

图1.TL-5186放电特性。

要涵盖的其他注意事项

负载电压和容量随温度变化

参见图2，检查上述应用的负载电压随温度变化，未发现问题。有关温度范围内的容量，请参见图3，我们可以看到，在72°C时，容量为280mAh，在-30时为330mAh。由于我们的平均温度达到25°C，因此我们回到310容量，并发现估计的电池寿命为7 +年。

图2.TL-5186电压与温度的关系。

图3.TL-5186 容量与电流的关系。

如果由于某种原因，我们需要更多的寿命，但只是没有空间容纳更大的电池，我们可以考虑一系列专门设计的低自放电设计。对于这种尺寸的电池，我们将查看TL-4986

从4μA放电曲线的图5可以看出，预期容量应为370mAh。如果我们使用这种电池，我们可以预期平均寿命为9.38年。

图4.TL-5186 餐具特性。

上面的应用程序说明了一个相当简单的应用程序，可以找到内存备份或实时时钟备份。

审核编辑：郭婷