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電池使用十大訣竅
 

【作者: Len Sherman】   2005年12月05日 星期一

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可攜式產品使用電池做為主要電源供應來源,以下是設計工程師常見的幾個錯誤觀念,這些觀念大部分是由使用者角度設想的觀察結果。事實上,許多產品在導入各項新興科技後,卻仍為了一些簡單的理由,例如電池續航力不足等而讓使用者感到失望,雖然在某些情況下有些問題無法避免,但大部份的原因卻都是因為在設計上沒有仔細思考相關問題以及它們所引發的結果所造成。


為什麼不使用AAA或9V電池

AAA與9V鹼性電晶體收音機電池在與AA電池比較時事實上有許多缺點,兩者的輸出阻抗表現都相當差,同時它們有限的容量還會因負載滿載時的耗損提升而讓情況變得更糟,從常見製造商所提供規格來看,AA電池的容量大約為AAA的2.5倍,因此除非受到機構設計的限制,我們應該要避免使用AAA電池,雖然AAA電池的體積明顯小於AA電池,但我們卻經常看到它們被應用在一些事實上可以善用空間轉而使用較大電池的應用上。


9V電晶體收音機電池由於能夠讓5V系統直接透過廉價的線性穩壓器取得電源而擁有一些優勢,同時對較低電流的負載來說,9V電池的容量可以與AA電池相抗衡,不過由於9V電池是由六個小型的電池串聯封裝組成,因此輸出電阻較高,同時容量也容易受到負載電流的影響,這對電池每半年更換一次的煙霧偵測器來說或許還算可以,但對於較高負載的應用,需要時常更換電池將會造成使用者的困擾,同時電池本身較差的輸出電阻特性也會讓問題變得更加複雜,另一方面,在比較AA與9V電池的容量時,還必須謹記,對消費者來說,9V電池的成本大約是AA電池的四倍之多。


由於新型低成本直流─直流轉換器的推出,目前已經相當容易能夠由兩顆AA電池產生高效率的5V電源,如(圖一)所示,圖中的電路包含了已經整合到晶片中的電池反向保護功能,同時採用的連線方式在與使用9V電池時比較,可以將更換電池的時間延長為兩倍,同時讓使用者的運作成本降低到只有1/4。


《圖一 低成本直流─直流轉換器電路圖》
《圖一 低成本直流─直流轉換器電路圖》

<圖註:該元件可以將兩顆AA電池轉換為5V輸出,內建電池反向保護功能同時轉換效率可達90%的6-pin SOT包裝元件,與9V電池比較,這樣的組合可以延長電池更換時間達2倍,同時讓使用者的運作成本降低到只有1/4。>


無停機負載電流

鹼性電池由於擁有相當低的自體放電(self-discharge)速率以及不需充電或使用交流變壓器的較低導入成本而擁有卓越的優勢,在電源功率需求較低的場合,鹼性電池可以是個良好的選擇,不過卻必須謹慎使用,並且將靜態負載或待機電流儘量降低。常見的電源系統設計錯誤主要在於只專注於產品的運作效率而忽略了待機或休眠狀態下的耗電,就算只有幾十mA的電流浪費都會消耗電池,造成間歇式使用的產品必須要經常更換電池,更進一步來說,這樣的設計錯誤情況比幾年前更加常見,主要原因是目前大量使用的軟體控制開關方式幾乎已經完全取代以往能夠完全將電池斷開的機械式開關。


透過軟體控制開關的使用,系統可以隨時保持待命並進入一個理想上耗電較低,只執行開關按鍵掃描的狀態,這樣的系統設計由於CMOS邏輯電路的靜態電流消耗接近於0而可能擁有較佳的待機電流表現,但真實的情況是,這些系統因為粗心的設計使得提升電阻持續消耗電流或沒有真正地移除系統中某些沒有運作部分電路的電源而造成電池電力的持續消耗,基本上這類系統的待機耗電不應該超過幾個mA,甚至是採用一或兩顆AA電池的設計應用,雖然其中升壓式直流─直流轉換器必須隨時運作以維持電源,卻都可以將耗電控制在低於2uA的位準。


沒有加上採OR連接的二極體

這個產業需要一個只有10mV前向壓降,並且沒有反向洩漏的二極體,到目前為止,前向壓降大約在300到500mV之間的蕭特基二極體可以說是現有的最佳選擇,不幸的是,在許多電壓選擇設計上,蕭特基的表現還不夠好,但是如果採用最新最好的高效率電壓轉換器,卻讓省下的電力消耗在二極體的前向壓降上,基本上沒有什麼意義。如果儘量保持電池能量是低電壓系統設計的優先考量,那麼就應該採用功率MOSFET開關來取代二極體,以導通電阻只有數十mΩ的SOT封裝元件來說,相對於可攜式產品的耗電,MOSFET本身的前向壓降就變得可以被忽略。


要決定是否在電源控管上採用MOSFET主要在於將二極體或MOSFET的壓降與電池的電壓比較,並將其比值視為效率上的耗損,如果使用前向壓降為350mV的蕭特基二極體來控制通常電壓為3.6V的鋰離子電池輸出,那麼耗損約為9.7%,而對通常為2.7V的兩顆AA電池來說,耗損就會提高到13%,在低成本的設計上,這些耗損可能可以被接受,但相對於已經使用轉換效率較高直流─直流轉換器所投下的成本來說,就必須考慮由二極體改換成MOSFET做為電源管控所帶來的13%或9%效率改善。


在部分場合下,控管二極體與MOSFET開關的使用可以經由細心的系統設計予以避免,以(圖二)為例,系統的電源可以由單一AA電池與USB輸入切換提供而不需使用MOSFET開關,當USB電源插上時,AA電池就會自動停止耗電。MAX1675升壓式轉換器的關機(shutdow;SSDNn)輸入接腳在連上USB電源時不需啟動就能自動停止AA電池的消耗,原因是LDO元件會將本來的3V電壓提升為3.3V輸出,讓升壓式轉換器自動停止對電池進行耗電。


《圖二 控管二極體與MOSFET開關》
《圖二 控管二極體與MOSFET開關》

<圖註:在一個AA電池與USB電源之間切換電源的動作可以在沒有二極體耗損或MOSFET的情況下達成,LDO元件會在USB電源插入時將輸出拉升到3.3V,讓升壓式轉換器自動停止對電池進行耗電。>


沒有10 k提升電阻

大部分的可攜式產品,如PDA、數位相機等由於相當複雜,因此在設計時大都會分散給許多工程團隊來合作完成,這些團隊分別將注意力放在各自的目標上,因此可能無法完全考慮到設計上其他部分的影響,大部分的數位式設計都包含有提升電阻,各自分開來說,流經提升電阻的電流看起來好像並不會對電源功率消耗造成太大的影響,但擁有較大數量提升電阻的系統則會浪費許多的電池電力,在許多情況下,可以透過使用在兩種狀態下都能有效動作的邏輯電路來移除提升電阻,甚至在一定需要加上提升電阻時,如果不需考慮速度,還可以將阻值增加到1MΩ甚至更高,總括來說,需要特別考慮提升電阻使用時的最常見狀態,例如是高阻抗或消耗電流等,並將提升電阻上的電流降到最低可能值,也就是使用最高可能的電阻值。


無鐵芯60Hz交流變壓器

基本上這並不屬於電池的問題,但卻與規格有重大的關係,由可攜式設備使用者的眼光來看,如果一個強調輕薄短小的可攜式產品配備了體積龐大而且笨重的交流變壓器,那麼一定會讓人對產品的觀感大打折扣,因此製造商必須要避免犯下這類相互衝突的錯誤。


目前小型化且重量輕的切換式交流變壓器已經相當普遍,雖然成本會比傳統採用鐵芯的60Hz變壓器要高,但對提升消費者對產品的觀感卻有大幅幫助。


使用正確的電池

所有的可攜式設備都存在著使用者的固定操作習慣,客戶的滿意度通常也會與產品是否符合或牴觸習慣的使用模式而受到影響,例如一個產品讓使用者需要時常注意電池的狀況就變得相當不方便,較佳的產品設計通常會透過少次數的電池更換,例如電視遙控器,以及充電或者是非侵入式的充電方式,例如電動牙刷等,讓使用者幾乎忘了電池的存在,因此在選擇電池時,應該要依電池的特性,例如常見的鹼性、鎳氫或鋰離子電池等選擇以符合產品的使用習慣,讓客戶不再被迫要注意電池的情況,而是將注意力放在設備本來的功能上。


前面提到,鹼性電池不可充電,但卻擁有超低的自體放電速率與不需充電器或交流電源變壓器的低導入成本特性,如果功率需求較低,鹼性電池可以是個相當良好的選擇,但當工作負載超過鹼性電池所能負荷時,就需要可充電電池,這時所需注重的就是要如何讓可充電電池儘可能地不要影響設備的功能。


在兩種主要的可充電電池選擇上,包括鎳氫與鋰離子電池等,鎳氫電池的低成本在產品的使用習慣對電池影響不大時較為適用,特別是對無法負擔複雜充電功能的低價產品來說特別重要。鎳氫電池較適合使用在完全充放電的應用上,因此最適用於經常會將電力耗盡的場合,例如電動工具等,其他有時也適合使用鎳氫電池的情況則是作為鹼性電池的替代品,也就是會將電池從設備上移開並使用外部充電器充電的場合,這在數位相機上較為普遍,但還是會造成需要使用者注意的缺點,另一方面,行動電話這類產品基本上並不適合完全充放電的使用模式,因為行動電話通常會有固定的充電時間,例如每天晚上,但在放電使用上卻不一定,因此這類產品就需要鋰離子電池所擁有的較高電力與單位重量比、低自體放電速率以及較短的充放電週期,以便讓消費者不需太注重所謂的電池管理而是簡單地將焦點放在產品上。


不要忽視旁路設計,特別是在低電壓應用時

低電壓電池系統通常會整合升壓式轉換器來提供系統電源,這些轉換器會由電池取得固定的電力,因此當電池電壓下滑時,輸入電流就會上升,讓電源電阻所造成的問題更加惡化,除此之外,直流─直流轉換器會以脈衝形式由輸入源取得電力,甚至是在負載固定時,這樣的動態負載會將因電池電阻以及其他造成輸入電阻提升的耗損累加,由於電阻上的耗損正比於電流的平方,因此負載在尖峰時會比持續運作下更浪費功率,這也就是為什麼採用電容的電池旁路設計對包含直流─直流轉換器的系統來說是那麼地重要,如果流經輸入電阻的電流可以儘可能地轉變為直流形式,那麼節省的電池電力消耗將可高達5%。


不必害怕停止運作(dropout)

電池當然並不完美,同時在放電過程也會有大幅的電壓變化,例如鋰離子電池的電壓會由4.2V降低到2.7V,因此當用來產生3.3V輸出時,一開始可能會認為一定需要在低電壓時提升電池電壓,但大部分的升降壓式(Buck-Boost)電源會提高系統的成本,但卻還是因為整體效率不能達到較簡單降壓式直流─直流轉換器的水準而可能無法真正延長電池的使用時間,因此在只使用降壓式轉換的設計上,問題就變成電池電壓降到幾V時還可以維持運作,可允許的運作電池電壓越低,有效的使用時間就越長,當穩壓器的輸出入相當接近時,穩壓器就可以視為在停止運作狀態,在過去,停止運作狀態通常被認為是不佳而且需要加以避免的情況,但在考慮到簡單降壓設計所帶來的成本優勢後,就會讓考慮系統真正可忍受最低運作電壓的努力變得更有價值。


許多現代的LDO與降壓式直流─直流轉換器在設計上是以在停止運作狀態下不會造成不良效應的方式運作,這可以讓電池以最低可能的電壓運作,同時能夠由電池取得最大的可用電力,這個設計的主要限制來自於最低可行的系統邏輯電壓以及LDO或直流─直流轉換器的停止運作狀態的規格,在大部分的3.3V系統上,邏輯元件通常可以允許+/-5%,甚至10%的容忍範圍,這代表5%系統的最低工作電壓為3.15V,如果系統不是以最高的速率運作,那麼最低可運作電壓還可能降得更低。


不要忽略電池蓋設計

同樣地,這也和電池技術本身無關,但對消費者來說卻是個重要的問題,同時也是許多產品的弱點,如果需要經常更換電池,那麼電池蓋的設計就必須能夠忍受多次的使用而不會損壞,進一步來說,也應該要容易使用,對各種設計的要求標準通常會受到電池更換頻率的影響,特別是數位相機等鎳氫電池會在外部充電並且需要經常替換的場合。


精確的電池計量並非浪費成本

對精確計量需求特別高的應該是那些通常不會在單次使用中完全放電的產品,雖然這對幾乎所有以電池做為主要運作電源的產品來說都可適用,但對數位相機、行動電話與PDA等則更形重要,特別是相機由於使用的時間不定,因此相當容易造成無法追蹤電池電力狀態的情況,但在使用時卻又相當注重電力,因此如果沒有良好的電池計量設計,數位相機就可能會面臨電力耗盡的危險,更有可能是在最重要的時刻,例如拍攝重要照片時造成問題。


大部分的便攜式設備設計工程師由於不認為電力使用計量是消費者注重的功能,因而通常不願意在上面花費較大的成本,這樣的想法基本上是有瑕疵的,原因是就算目前市場上已經有許多採用電池做為主要電源的設備,但消費者通常還是無法真正了解他們所能期待的規格,因此無法看到精確使用計量的優勢,再加上許多現有的使用計量設計不良,無法真正正常工作,模糊了市場的觀感,更造成消費者對電池計量的不良印象,事實上這個情況可以被改變,因為目前市場上已經有一些成本低到足以為可攜式設備帶來更多加值功能的整合式解決方案,其中之一為(圖三)中的DS2751,這個元件包含一個內部電流感測電阻,2uA的待機電流,同時還可以透過1-wire串列介面與系統進行溝通。(作者為Maxim Integrated Product資深科學家)


《圖三 單晶片電池電力計量元件架構》
《圖三 單晶片電池電力計量元件架構》
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相關討論
Hong Yi發言於2006.03.07 07:39:25 PM
最近發現電池市場有明顯的變化,上星期日到家樂福買東西,發現鹼性電池14棵只賣一百幾十元而已,而且還是金頂電池哦!
可見現在充電式的鎳氫電持已經很普遍的被使用者接受,因此而壓縮了鹼性電持的銷售量,所以金頂電池只好削價求售,也表示小型充電電池已有很好的效能表現。
Wolver發言於2006.02.21 07:49:20 PM
可分兩方向1.提高電池效能.如甲醇電池氫氣電池
2.材料方面的研發.低耗電功率
Yi Shin發言於2006.01.17 03:57:50 PM
我想如果有革命性的材料研發,才能真正解決電池的問題.
Wills Hwang發言於2005.12.19 07:32:31 PM
現在的手持式電子產品越來越多,但是使用電池延伸的問題與技巧也很重要,所以談談大家的經驗與使用技術也很有意思!
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