如何讓嵌入式控制系統電池壽命最大化

輸入/輸出電容與開關式穩壓器。

電池是可攜式電子設備的核心，提供內部電路供電所需的電能，作用相當關鍵。目前，可攜式電子設備中的電池化學成分主要分為：鹼性、鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li-Ion)。可攜式電子設備的不斷湧現迫使系統設計人員越來越關注電源管理電路的設計，了解各種直流–直流轉換器的架構，才能使整體設計性能最佳化。

轉換器的拓撲有多種類型，包括線性穩壓器、開關式穩壓器和電荷幫浦。線性穩壓器使用電壓控制電流源來產生給定的輸出電壓，在電池供電的應用中最常用被使用的是低壓差穩壓器(LDO)。此類線性穩壓器使用P通道傳輸電晶體作為具有回饋的可變電阻，以調整輸出電壓。在開關式穩壓器的基本形式中，使用二極體、電感和開關來傳輸輸入端的能量以提供給定輸出。

開關式穩壓器可配置多種不同的拓撲，包括降壓、升壓以及降壓/升壓。降壓開關式穩壓器提供的穩壓輸出電壓低於輸入電壓，與LDO的功能類似。升壓開關式穩壓器提供的輸出電壓高於輸入電壓，LDO無法實現此功能。最後，降壓/升壓拓撲可為一定範圍內高於和/或低於輸出電壓的輸入電壓提供穩壓輸出。

電荷幫浦使用電容作為儲能元件。開關將電容的極板連接到輸入電壓，使其能對輸入電壓進行雙倍、三倍、反相或二等分處理，甚至產生任意的穩壓輸出電壓，具體則取決於電路拓撲。由於電荷幫浦對電容進行充電和放電來傳遞能量，因此與上述其他轉換器相比，此類轉換器可提供的輸出電流總量相對較低。

三種直流–直流轉換器均有各自的優點和缺點，可根據具體應用以及最重要的參數選擇合適的拓撲。如果優先考慮延長電池壽命，則高效的開關式穩壓器可能是最佳解決方案；如果雜訊是一大問題，則線性穩壓器是不錯的選擇。無論是哪種應用，要實現所需的系統性能，都必須關注於電源管理電路。

目前有一些技術可通過直流/直流轉換來延長電池的執行時間，圖中所示的電路中突出顯示了輸入和輸出電容相對於直流/直流轉換器的放置。開關式穩壓器在斷開和閉合輸入開關時會在輸入接腳上產生湧浪電流，採用一個大輸入電容可提供電荷「緩衝器」，從而最大程度地降低電荷注入。那麼，最大程度地降低輸入漣波會對電池執行時間有哪些影響？根據電池化學成分的不同，內阻的影響可能很顯著，此時電池的脈衝電流會導致電池中產生很大壓降。在電池和轉換器之間放置一個較大的輸入電容，可降低暫態電流消耗以及電池上產生的壓降，透過盡可能地減少這些壓降，可在達到最低電池電壓之前延長電池的執行時間。

對於長時間處於待機或休眠模式的低功耗應用，可能不需要穩壓器一直運行。在這種情況下，可使用較大的輸出電容來提供負載所需的低電流，從而使應用更加節能。這樣可根據需要開啟和關閉穩壓器來「增加」電容電荷。另一種常用於最大化電池執行時間的技術是動態電壓調節。數位負載(如微控制器)需要的電流較低，因此在低電壓下工作時功耗也較低。但是，當微控制器在低電壓下工作時，其性能在處理速度和輸出能力方面會受到限制。動態電壓調節的理念是：當微控制器處於待機或休眠模式時，使其運行在較低電壓下，從而降低功耗；當需要微控制器處理或傳輸資訊時，則將電壓升高。此技術已廣泛應用於計算應用，及其他電池供電的應用；包括智慧水表(通常狀態只是等待水流過)、遙控以及基於光檢測的煙霧探測器(可定期檢測室內是否有煙霧而不是連續工作)。

數位元件的功耗有資料記載可以預先瞭解，比如，微控制器有多種工作模式，並且可以開啟和關閉內部周邊，以節省更多功耗。喚醒微控制器以及從休眠模式轉換到工作模式的過程也都有詳細記載，有時你會發現使微控制器處於工作狀態可能比在兩種模式之間轉換更加節能。

在類比方面，這些要關注的參數就不是那麼明確了。對於連續工作的系統，選擇工作電流最低且滿足其他設計要求的類比IC仍然是關鍵。對於不連續工作的系統，選擇低電流類比IC似乎仍然是延長電池執行時間的最佳解決方案。然而，除了所需電流外還必須考慮元件穩定姓，在許多情況下，選擇電流更高但速度更快的元件從長遠來看更能達到節能的效果。（本文由Microchip Technology Inc.主任產品行銷工程師Kevin Tretter提供，周維棻整理。）