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要延长可携式应用的电池寿命并不容易,设计人员必须考虑许多因素才能将耗电量降到最低,包括管理多种低耗电操作模式、电源供应设计与组件选择。
本文将提供一些简单的准则,协助设计人员有效延长电池寿命。
管理多种低耗电操作模式
资源使用优化能保存电池电力。下列五个步骤说明如何适当使用多种电源操作模式,以将耗电量降到最低。
本文将以一个电池寿命10年的烟雾侦测器为例,说明此过程的每一步骤。这个烟雾侦测器是利用光学烟雾侦测室侦测烟雾,烟雾侦测室里有一个红外线发射器和接收机,而两者的位置刚好无法直接侦测到对方。火灾发生时,飘入侦测室的烟雾会反射红外线光束,使接收器能够收到红外线发射器的讯号。接收器所收到的讯号通常都很微弱,只在20nA和200nA之间。因此,接收器利用一个比较器和运算放大器侦测讯号,运算放大器会将红外线接收器传来的讯号放大一千万倍,然后由比较器将该讯号与电压参考进行比较,判断是否有烟雾进入侦测室。烟雾侦测器每5秒会唤醒一次,检查是否发生火灾。图一为此烟雾侦测器的系统方块图。
《图一 设计电池寿命10年的烟雾侦测器系统方块图》 |
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步骤1:决定最大平均电流
要决定应用的功率预算,最简单的方法是计算出电池的最大平均电流消耗。这项计算须视电池寿命和所选择的电池而定。
本文以一个220mAh的低价CR2032锂电池为例,以下是CR2032在维持10年电池寿命情形下的平均电流消耗:
220mAh × (1000μA/mA) / (10年) / (8760小时/年) = 2.5μA
步骤2:待机模式操作为优先考虑
许多电池供电型应用99%以上的时间都处于休眠或闲置模式。应用进入休眠模式后,中央处理器(CPU)就处于闲置状态。在休眠模式下,应用通常会利用内部定时器或频率系统产生实时频率,或是关机等待外部事件发生。休眠模式的电流会对平均电流消耗产生很大的影响,因此,选择一颗能在系统休眠时大幅降低耗电的微控制器是节省耗电的主要因素。
举例而言,烟雾侦测器每8秒就要醒来侦测火灾一次,这表示应用进入休眠模式后仍须继续产生实时频率。由于烟雾侦测器必须将休眠模式的电流消耗降到极低,所以这里选择MSP430F2011做为微控制器以满足其需求。这款微控制器是8和6位产品中电流消耗最少的组件,若将停电重置保护功能(BOR)及其所用32kHz石英晶体的电流包含在内,其在3V待机模式下的最大功耗也只有1.2μA。设计人员还能利用超低耗电振荡器(VLO)进一步降低电流消耗。VLO是微控制器内部的振荡器,不需任何外部零件即可操作。VLO频率最低可至12kHz,典型电流消耗少于500nA。为达到精确的实时频率操作要求,此处将外接一颗石英振荡器。MSP430F2011内含2KB闪存、128B RAM内存、1组定时器和2个撷取与比较缓存器、10只通用I/O接脚(GPIO)和1个多任务比较器,以满足应用的基本需求。
步骤3:提供最高整合度
功能整合,因能使用缓存器,而非速度较慢的序列通讯端口,因此,可加快模拟外围的通讯速度和控制能力。另外,避免使用外接零件也能将漏电流降到最低。
此处的烟雾侦测器将使用内部比较器,此外还需外接1个运算放大器。
步骤4:待机时关闭外部模拟组件电源
应用系统通常不会切断低静态电流组件的电源,故无稳定时间(settling time)的问题。可携式应用的多数时间都是在待机模式,因此可将稳定时间忽略不计。外部零件最好具备关机功能,未提供关机接脚的组件则可从GPIO接脚直接取得所需电源;基本上,只要组件汲取的电流不超过接脚规格,就没有太大问题。
但对DSP等其他零件而言,就算关机模式也会消耗很大的电流,因此最好使用外部开关组件控制其电源。微控制器会使用GPIO接脚控制该开关组件,并在零件闲置时关闭开关组件,进而切断这些零件的电源供应。
在此案例,红外线接收器的输出讯号范围在10-200nV之间,故需运算放大器将该讯号放大。此处会使用TLV2760做为讯号放大器,因为具有关机模式,而且在该模式下的最大耗电量只有50nA。这款运算放大器只需13.5μs就能稳定操作,因此,在实际应用里可忽略不计。
步骤5:将正常操作模式的耗电量降到最低
除了待机电流会大幅影响平均电流消耗外,正常操作模式的电流消耗也必须降到最低。以下为耗电优化的一些建议:
- 将组件的正常操作时间降到最低,因此时电流消耗量最大。
- 有机会就关闭CPU电源。CPU通常需等到外围或外部零件完成工作后,才能继续执行处理作业。因此应选择一个CPU关机时仍能继续使用外围的微控制器,同时确保能迅速唤醒CPU,避免浪费时间或电池电力。
- 避免轮询GPIO接脚及外围功能。在正常操作模式下,CPU为了检查GPIO以便与用户互动,必须执行许多附加作业导致浪费许多时间;相较下,中断驱动式架构则能在用户有任何输入或发生任何重要事件时,立即中断CPU作业。
表一为CPU及外部零件在烟雾侦测器正常操作时的功耗估计,须特别注意其中CPU是处于关机状态,比较器和运算放大器则是稳定操作。从图中可发现红外线发射器的功耗最大,因此设计须能高效率地开关红外线发射器,使其达到最短总工作时间。待机及正常操作模式的总平均电流为1.38μA,非常接近1.2μA最大待机电流。烟雾侦测器要达到10年电池寿命的要求,最大平均电流不可超过2.5μA,这表示前述的1.38μA总平均电流已达到这项目标。
@表格:(表一) 范例烟雾侦测器之功耗估计
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Icc x t / t-total |
Power Profile (max@3v) | Task |
t |
Op-amp Comparator IR-Tx
CPU | Op-amp | Comparator | IR-Tx |
30 uA 60 uA 200 mA
| mSec | mA | uA |
400 uA | 30 uA | 60 uA | 200 mA |
X
Turn on op-amp | 0.015 | 0.400 | 0.00120 | X X
X | | | |
X X
Turn on comparator | 0.015 | 0.430 | 0.00129 | X X X
X | X | | |
X X X
Wait for stabilization | 0.090 | 0.090 | 0.00162 | X X X
| X | X | |
X X
Wake-up | 0.002 | 0.490 | 0.00020 | X
X | X | X | |
Turn on IR-Transmitter | 0.003 | 200.490 | 0.12029 |
X | X | X | X |
电源供应设计
延长可携式应用电池寿命的另一关键是电源供应系统设计,包括电池和稳压器的选择。以下为提高设计效率,进而延长电池寿命的部份设计建议。
建议1:使用1组电压
在系统中使用多组电压会增加成本与耗电量,因为此时必须使用多组稳压器,这些稳压器会不断汲取电流,缩短电池寿命;此外,多组电压设计需包含多组稳压器和电压位准转换器,这将增加成本。许多可携式应用都采用3V电源供应,因为目前多数组件都在此电压范围内操作,而此电压也能让模拟组件发挥适当效能。
建议2:尽可能使用锂电池
相较其他电池技术,锂电池技术电压输出最稳定,因此可延长电池寿命。然而,峰值电流容量较小是现有锂电池的限制之一,应用若需长时间提供较大的峰值电流,则应使用碱性电池。
建议3:使用操作电压范围较大的组件
使用操作电压范围较大的组件能让电池拥有最长寿命。任何电池的电压都会随着时间而降低,例如,碱性电池的电压就会随着时间等比例下降。组件若能支持宽广的操作范围,就能将电池寿命延至最长;例如相较于最低2.7V电压的组件,支持2.2V的组件能将两个3号电池的使用时间增加一倍。
建议4:管理多组电压
有些应用像是以DSP或32位微控制器为基础的系统需要多组电压。这类系统通常拥有很大的待机电流,而且需要3.0V和1.8V等多组电压以支持I/O和核心CPU,此时可增加一颗低成本的小型微控制器,负责关闭处于闲置状态的电源。
组件选择
目前市面上有许多组件可供选择,组件的选择是延长电池寿命的重要关键。
下列问题有助于评估不同微控制器的优劣:
待机操作模式的影响因素:
@内标:应用在最常使用的待机模式下,其最大电流消耗为何?
停电重置 (BOR) 保护功能的最大电流消耗为何?
接脚的最大漏电流为何?
正常操作模式的影响因素:
@内标:微控制器需要多久才能被唤醒,并提供快速稳定的内部振荡器?
微控制器的中断能力为何?能否避免使用轮询 (polling)?
是否能预先配置外围组态,并由外部事件驱动外围,以便CPU闲置时切断电源?
下列问题有助于评估不同模拟组件的优劣:
@内标:组件是否有关机功能?
组件的稳定时间 (settling time) 有多快?
能否将功能整合至微控制器?
这些管理多种低耗电模式、电源供应设计和组件选择的步骤并非万无一失,但希望能提供一些可靠的准则,协助设计人员将可携式应用的电池寿命延到最长。
--作者为德州仪器MSP430全球营销经理
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