電池壽命有效延展之規劃準則

要延長可攜式應用的電池壽命並不容易，設計人員必須考慮許多因素才能將耗電量降到最低，包括管理多種低耗電操作模式、電源供應設計與元件選擇。

本文將提供一些簡單的準則，協助設計人員有效延長電池壽命。

管理多種低耗電操作模式

資源使用最佳化能保存電池電力。下列五個步驟說明如何適當使用多種電源操作模式，以將耗電量降到最低。

本文將以一個電池壽命10年的煙霧偵測器為例，說明此過程的每一步驟。這個煙霧偵測器是利用光學煙霧偵測室偵測煙霧，煙霧偵測室裡有一個紅外線發射器和接收機，而兩者的位置剛好無法直接偵測到對方。火災發生時，飄入偵測室的煙霧會反射紅外線光束，使接收器能夠收到紅外線發射器的訊號。接收器所收到的訊號通常都很微弱，只在20nA和200nA之間。因此，接收器利用一個比較器和運算放大器偵測訊號，運算放大器會將紅外線接收器傳來的訊號放大一千萬倍，然後由比較器將該訊號與電壓參考進行比較，判斷是否有煙霧進入偵測室。煙霧偵測器每5秒會喚醒一次，檢查是否發生火災。圖一為此煙霧偵測器的系統方塊圖。

步驟1：決定最大平均電流

要決定應用的功率預算，最簡單的方法是計算出電池的最大平均電流消耗。這項計算須視電池壽命和所選擇的電池而定。

本文以一個220mAh的低價CR2032鋰電池為例，以下是CR2032在維持10年電池壽命情形下的平均電流消耗：

220mAh × (1000μA/mA) / (10年) / (8760小時/年) = 2.5μA

步驟2：待機模式操作為優先考慮

許多電池供電型應用99%以上的時間都處於休眠或閒置模式。應用進入休眠模式後，中央處理器（CPU）就處於閒置狀態。在休眠模式下，應用通常會利用內部計時器或時脈系統產生即時時脈，或是關機等待外部事件發生。休眠模式的電流會對平均電流消耗產生很大的影響，因此，選擇一顆能在系統休眠時大幅降低耗電的微控制器是節省耗電的主要因素。

舉例而言，煙霧偵測器每8秒就要醒來偵測火災一次，這表示應用進入休眠模式後仍須繼續產生即時時脈。由於煙霧偵測器必須將休眠模式的電流消耗降到極低，所以這裡選擇MSP430F2011做為微控制器以滿足其需求。這款微控制器是8和6位元產品中電流消耗最少的元件，若將停電重置保護功能（BOR）及其所用32kHz石英晶體的電流包含在內，其在3V待機模式下的最大功耗也只有1.2μA。設計人員還能利用超低耗電振盪器（VLO）進一步降低電流消耗。VLO是微控制器內部的振盪器，不需任何外部零件即可操作。VLO頻率最低可至12kHz，典型電流消耗少於500nA。為達到精確的即時時脈操作要求，此處將外接一顆石英振盪器。MSP430F2011內含2KB快閃記憶體、128B RAM記憶體、1組計時器和2個擷取與比較暫存器、10隻通用I/O接腳（GPIO）和1個多工比較器，以滿足應用的基本需求。

步驟3：提供最高整合度

功能整合，因能使用暫存器，而非速度較慢的序列通訊埠，因此，可加快類比週邊的通訊速度和控制能力。另外，避免使用外接零件也能將漏電流降到最低。

此處的煙霧偵測器將使用內部比較器，此外還需外接1個運算放大器。

步驟4：待機時關閉外部類比元件電源

應用系統通常不會切斷低靜態電流元件的電源，故無穩定時間（settling time）的問題。可攜式應用的多數時間都是在待機模式，因此可將穩定時間忽略不計。外部零件最好具備關機功能，未提供關機接腳的元件則可從GPIO接腳直接取得所需電源；基本上，只要元件汲取的電流不超過接腳規格，就沒有太大問題。

但對DSP等其他零件而言，就算關機模式也會消耗很大的電流，因此最好使用外部開關元件控制其電源。微控制器會使用GPIO接腳控制該開關元件，並在零件閒置時關閉開關元件，進而切斷這些零件的電源供應。

在此案例，紅外線接收器的輸出訊號範圍在10-200nV之間，故需運算放大器將該訊號放大。此處會使用TLV2760做為訊號放大器，因為具有關機模式，而且在該模式下的最大耗電量只有50nA。這款運算放大器只需13.5μs就能穩定操作，因此，在實際應用裡可忽略不計。

步驟5：將正常操作模式的耗電量降到最低

除了待機電流會大幅影響平均電流消耗外，正常操作模式的電流消耗也必須降到最低。以下為耗電最佳化的一些建議：

• 將元件的正常操作時間降到最低，因此時電流消耗量最大。
• 有機會就關閉CPU電源。CPU通常需等到週邊或外部零件完成工作後，才能繼續執行處理作業。因此應選擇一個CPU關機時仍能繼續使用週邊的微控制器，同時確保能迅速喚醒CPU，避免浪費時間或電池電力。
• 避免輪詢GPIO接腳及週邊功能。在正常操作模式下，CPU為了檢查GPIO以便與使用者互動，必須執行許多附加作業導致浪費許多時間；相較下，中斷驅動式架構則能在使用者有任何輸入或發生任何重要事件時，立即中斷CPU作業。

表一為CPU及外部零件在煙霧偵測器正常操作時的功耗估計，須特別注意其中CPU是處於關機狀態，比較器和運算放大器則是穩定操作。從圖中可發現紅外線發射器的功耗最大，因此設計須能高效率地開關紅外線發射器，使其達到最短總工作時間。待機及正常操作模式的總平均電流為1.38μA，非常接近1.2μA最大待機電流。煙霧偵測器要達到10年電池壽命的要求，最大平均電流不可超過2.5μA，這表示前述的1.38μA總平均電流已達到這項目標。

＠表格:(表一) 範例煙霧偵測器之功耗估計

Icc

Op-amp Comparator IR-Tx

30 uA 60 uA 200 mA

X

X X

X X

X X X

X X X

X X X

X X

X

電源供應設計

延長可攜式應用電池壽命的另一關鍵是電源供應系統設計，包括電池和穩壓器的選擇。以下為提高設計效率，進而延長電池壽命的部份設計建議。

建議1：使用1組電壓

在系統中使用多組電壓會增加成本與耗電量，因為此時必須使用多組穩壓器，這些穩壓器會不斷汲取電流，縮短電池壽命；此外，多組電壓設計需包含多組穩壓器和電壓位準轉換器，這將增加成本。許多可攜式應用都採用3V電源供應，因為目前多數元件都在此電壓範圍內操作，而此電壓也能讓類比元件發揮適當效能。

建議2：儘可能使用鋰電池

相較其他電池技術，鋰電池技術電壓輸出最穩定，因此可延長電池壽命。然而，峰值電流容量較小是現有鋰電池的限制之一，應用若需長時間提供較大的峰值電流，則應使用鹼性電池。

建議3：使用操作電壓範圍較大的元件

使用操作電壓範圍較大的元件能讓電池擁有最長壽命。任何電池的電壓都會隨著時間而降低，例如，鹼性電池的電壓就會隨著時間等比例下降。元件若能支援寬廣的操作範圍，就能將電池壽命延至最長；例如相較於最低2.7V電壓的元件，支援2.2V的元件能將兩個3號電池的使用時間增加一倍。

建議4：管理多組電壓

有些應用像是以DSP或32位元微控制器為基礎的系統需要多組電壓。這類系統通常擁有很大的待機電流，而且需要3.0V和1.8V等多組電壓以支援I/O和核心CPU，此時可增加一顆低成本的小型微控制器，負責關閉處於閒置狀態的電源。

元件選擇

目前市面上有許多元件可供選擇，元件的選擇是延長電池壽命的重要關鍵。

下列問題有助於評估不同微控制器的優劣：

待機操作模式的影響因素：

＠內標:應用在最常使用的待機模式下，其最大電流消耗為何？

停電重置 (BOR) 保護功能的最大電流消耗為何？

接腳的最大漏電流為何？

正常操作模式的影響因素：

＠內標:微控制器需要多久才能被喚醒，並提供快速穩定的內部振盪器？

微控制器的中斷能力為何？能否避免使用輪詢 (polling)？

是否能預先配置週邊組態，並由外部事件驅動週邊，以便CPU閒置時切斷電源？

下列問題有助於評估不同類比元件的優劣：

＠內標:元件是否有關機功能？

元件的穩定時間 (settling time) 有多快？

能否將功能整合至微控制器？

這些管理多種低耗電模式、電源供應設計和元件選擇的步驟並非萬無一失，但希望能提供一些可靠的準則，協助設計人員將可攜式應用的電池壽命延到最長。

--作者為德州儀器MSP430全球行銷經理

Icc x t / t-total
	Power Profile (max@3v)				Task
t
	CPU	Op-amp	Comparator	IR-Tx
	mSec	mA	uA	400 uA	30 uA	60 uA	200 mA
Turn on op-amp	0.015	0.400	0.00120	X
Turn on comparator	0.015	0.430	0.00129	X	X
Wait for stabilization	0.090	0.090	0.00162		X	X
Wake-up	0.002	0.490	0.00020	X	X	X
Turn on IR-Transmitter	0.003	200.490	0.12029	X	X	X	X