采用全系统方法进行电池供电设计万博投注网址

文章作者:Richard Quinnell

上个月，我有机会听NXP的艾伦•威尔逊谈到了他所谓的“超低功耗胡扯”。基本上，他说的是微处理器供应商兜售的睡眠模式规格是毫无意义的。如果你想要获得电池更换之间系统运行时间的真实图像，你必须采用更全面的方法来设计电池供电的操作。
首先要注意的是你的设计需要的当前画面，而不是功率。如果你用电池操作，毕竟，你不能改变它的电压。即使处理器在比原始电池更低(或更高)的电压下运行，从电池中获得的电流加上电池的容量，决定了系统能坚持多久。
接下来，使用平均电流，而不是休眠电流或峰值电流来衡量电池寿命。当然，峰值电流和睡眠电流很重要，但它们只是两个数据点。在设备的正常运行寿命内，它会吸收多少总电流，比如，24小时?
如果您进行计算，您可能会惊讶于主动模式到睡眠模式的占空比的影响。以NXP的MKW01为例，该产品在单个封装中拥有Cortex M0+处理器和sub-GHz收发器，适用于多种无线传感器系统。根据数据表，MKW01的休眠模式电流绘制是0.1µA典型(1µA最大)，当发送它从16 mA到95 mA，取决于输出功率。
假设我们在射频输出功率的低端运行。考虑到其他电路、功率转换效率低以及其他因素，我们将使用20ma作为有功功率水平。然后，为了慷慨起见，我们将使用供应商的典型0.1µA值来绘制睡眠模式。像CR3032这样的高容量硬币电池(似乎是开发套件中最流行的一种电池)的容量约为550毫安时。
有了这些数字，我们的设计可以连续传输大约27.5小时，直到耗尽电池。因此，需要在传输之间让设备处于休眠状态。睡眠时间越长，电池的使用时间就越长——至少理论上是这样。下表显示了多少电池寿命，如果你使用这些电流绘制在各种占空比。

*表:以占空比*为例说明电池寿命

如果我们想让我们的设计在更换电池之间运行10年，看起来我们每小时只能传输大约一秒钟。根据系统苏醒、建立联系、发送数据包和返回睡眠(比如100毫秒)所需要的时间，我们在样本之间观察了几分钟。这对某些系统来说可能没问题，但不是所有系统，而且在任何情况下都需要考虑更多的问题。
不过，处理器的休眠电流并不是唯一消耗电池的因素。电池本身有自放电率，所以即使在没有负载的情况下，它的容量也在下降。在负载下，取决于电流，电池的内阻也会窃取一些电池的容量。此外，电池的使用寿命也是有限的，因为它们使用的化学物质会随着时间的推移而分解，这反映在它们的保质期规范中。CR3032是一种寿命较长的电池，据称保质期最多只有7到10年。许多电池提供的电量要少得多。所以，即使你的电路优化了电池的使用寿命，电池本身的使用寿命也可能没有你需要的那么长。
然后还有在处理器处于休眠状态时运行的任何额外系统电路的负载，或者如果它们在传输之间关闭，它们的休眠电流。还有PCB的旁路电容的泄漏电流(或绝缘电阻)要考虑。在没有其他东西运转的时候，他们正在耗尽电池。
底线是，在考虑电池供电的设计时，只考虑低功耗处理器，这只是冰山一角。你需要一个整体的，系统范围的方法，考虑到电池特性，其他电路的行为，电流轮廓，和其他可能浪费电流或影响电池容量的因素。如果不深入研究，系统在更换电池之间的运行寿命可能会大大低于预期。