如何让嵌入式控制系统电池寿命最大化

输入/输出电容与开关式稳压器。

电池是可携式电子设备的核心，提供内部电路供电所需的电能，作用相当关键。目前，可携式电子设备中的电池化学成分主要分为：硷性、镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li-Ion)。可携式电子设备的不断涌现迫使系统设计人员越来越关注电源管理电路的设计，了解各种直流–直流转换器的架构，才能使整体设计性能最佳化。

转换器的拓扑有多种类型，包括线性稳压器、开关式稳压器和电荷帮浦。线性稳压器使用电压控制电流源来产生给定的输出电压，在电池供电的应用中最常用被使用的是低压差稳压器(LDO)。此类线性稳压器使用P通道传输晶体管作为具有回馈的可变电阻，以调整输出电压。在开关式稳压器的基本形式中，使用二极管、电感和开关来传输输入端的能量以提供给定输出。

开关式稳压器可配置多种不同的拓扑，包括降压、升压以及降压/升压。降压开关式稳压器提供的稳压输出电压低于输入电压，与LDO的功能类似。升压开关式稳压器提供的输出电压高于输入电压，LDO无法实现此功能。最后，降压/升压拓扑可为一定范围内高于和/或低于输出电压的输入电压提供稳压输出。

电荷帮浦使用电容作为储能元件。开关将电容的极板连接到输入电压，使其能对输入电压进行双倍、三倍、反相或二等分处理，甚至产生任意的稳压输出电压，具体则取决于电路拓扑。由于电荷帮浦对电容进行充电和放电来传递能量，因此与上述其他转换器相比，此类转换器可提供的输出电流总量相对较低。

三种直流–直流转换器均有各自的优点和缺点，可根据具体应用以及最重要的参数选择合适的拓扑。如果优先考虑延长电池寿命，则高效的开关式稳压器可能是最佳解决方案；如果杂讯是一大问题，则线性稳压器是不错的选择。无论是哪种应用，要实现所需的系统性能，都必须关注于电源管理电路。

目前有一些技术可通过直流/直流转换来延长电池的执行时间，图中所示的电路中突出显示了输入和输出电容相对于直流/直流转换器的放置。开关式稳压器在断开和闭合输入开关时会在输入接脚上产生涌浪电流，采用一个大输入电容可提供电荷「缓冲器」，从而最大程度地降低电荷注入。那麽，最大程度地降低输入涟波会对电池执行时间有哪些影响？根据电池化学成分的不同，内阻的影响可能很显着，此时电池的脉冲电流会导致电池中产生很大压降。在电池和转换器之间放置一个较大的输入电容，可降低暂态电流消耗以及电池上产生的压降，透过尽可能地减少这些压降，可在达到最低电池电压之前延长电池的执行时间。

对于长时间处于待机或休眠模式的低功耗应用，可能不需要稳压器一直运行。在这种情况下，可使用较大的输出电容来提供负载所需的低电流，从而使应用更加节能。这样可根据需要开启和关闭稳压器来「增加」电容电荷。另一种常用于最大化电池执行时间的技术是动态电压调节。数码负载(如微控制器)需要的电流较低，因此在低电压下工作时功耗也较低。但是，当微控制器在低电压下工作时，其性能在处理速度和输出能力方面会受到限制。动态电压调节的理念是：当微控制器处于待机或休眠模式时，使其运行在较低电压下，从而降低功耗；当需要微控制器处理或传输信息时，则将电压升高。此技术已广泛应用于计算应用，及其他电池供电的应用；包括智能水表(通常状态只是等待水流过)、遥控以及基于光检测的烟雾探测器(可定期检测室内是否有烟雾而不是连续工作)。

数码元件的功耗有数据记载可以预先了解，比如，微控制器有多种工作模式，并且可以开启和关闭内部周边，以节省更多功耗。唤醒微控制器以及从休眠模式转换到工作模式的过程也都有详细记载，有时你会发现使微控制器处于工作状态可能比在两种模式之间转换更加节能。

在类比方面，这些要关注的参数就不是那麽明确了。对于连续工作的系统，选择工作电流最低且满足其他设计要求的模拟IC仍然是关键。对于不连续工作的系统，选择低电流模拟IC似乎仍然是延长电池执行时间的最佳解决方案。然而，除了所需电流外还必须考虑元件稳定姓，在许多情况下，选择电流更高但速度更快的元件从长远来看更能达到节能的效果。（本文由Microchip Technology Inc.主任产品行销工程师Kevin Tretter提供，周维棻整理。）