越来越多的可携式设备开始提供彩色萤幕、立体音讯和连结等先进功能，例如GPRS、无线网路和蓝芽、以及视讯和相机拍摄。相较于臃肿笨重的可携式设备，消费者希望产品设计不仅轻薄短小、操作方便，还有很长的电池使用寿命。消费者的喜好为电路设计工程师带来了两难的局面：他们必须提供更多电源给系统并产生更多组电压，但在这同时，可携式产品可供电源供应器使用的空间和电池容量却日益减少。

为了满足这些技术要求，设计人员需要高速精确的充电元件以充份利用电池蓄电力；他们还须提高电源转换效率和降低功耗来节省电池电力，并藉由增加功能整合度和减少零件数目来适应不断缩小的电路板面积。但是，要让可携式应用提供很长的电池寿命并非易事。设计人员必须考虑许多因素才能将耗电量减至最少，这包括管理多种低耗电操作模式、电源供应设计和零件选择。

资源最佳化有助于延长电池寿命。本文所讨论的五个步骤即说明如何适当使用多种电源操作模式把耗电量减至最少，文中前半部将以电池寿命约十年的烟雾侦测器为例，来说明这套程序的每一个步骤。

烟雾侦测器是利用一个光学烟雾室来侦测烟雾。烟雾室内装有红外线传送器与接收器，两者的位置已经过特别安排，使得接收器在正常情形下不会收到传送器所发射的红外线。发生火灾时，烟雾会飘进烟雾室并反射红外线，使得接收器得以收到红外线传送器所送出的讯号。红外线接收器的接收讯号非常微弱，通常仅在20nA到200nA之间。这个讯号会由比较器和运算放大器负责侦测，比较器会将红外线接收器所接收的讯号与电压参考值进行比较，以便判断烟雾室内是否有烟雾。

运算放大器会把红外线接收器所接收的讯号放大一千万倍。烟雾侦测器每隔五秒就会醒来一次检查是否发生火灾，如果侦测到火灾就会点亮一颗LED指示灯；有些烟雾侦测器还会提供火灾警铃，但在本文这个例子里并没有实作这项功能。 (图一)是这套烟雾侦测器的系统方块图。

决定最大平均电流消耗

想要了解应用的功率预算，最简单的方法是确定电池的最大平均电流消耗。计算结果将视电池寿命与电池选择而定。本文中选择低成本的220mAh锂电池，它在十年电池寿命要求下的平均电流消耗等于：

22 mAh ×(1000 μA/mA)/(10年)/(8760小时/年)= 2.5μA

首先考虑待机模式

许多电池操作型应用99％以上的时间都处于睡眠或闲置状态。应用进入睡眠状态后，中央处理器就会停止运作。在睡眠模式下，应用可以使用内部计时器执行即时时脉功能，或将时脉系统关机并等待外界事件发生。选择系统待机时耗电量极低的微控制器对于节省电力极为重要，睡眠模式的电流消耗会对平均电流消耗产生极大影响。

举例来说，烟雾侦测器每五秒就要被唤醒和侦测是否发生火灾，这表示应用进入睡眠模式后仍须执行即时时脉功能。为将睡眠模式的耗电降至极低，正确选择应用的微控制器就变得非常重要。例如在8或16位元微控制器中具备最低的待机电流消耗，或在3V待机模式下最​​大电流值仅1.2μA，这些功能还包括断电重置保护（BOR）和32kHz石英晶体的电流消耗在内。

另外，使用超低耗电振荡器（VLO）还能进一步减少电流消耗。超低耗电振荡器是不需要外部零件的内部振荡器，它能在12kHz频率下操作，典型电流消耗少于500nA。这个例子将使用外部石英晶体。一般来说，只要搭配内含2KB快闪记忆体、128 BRAM、包含两个撷取与比较暂存器的计时器、10只通用I/O接脚（GPIO）以及多工比较器，就可以满足烟雾侦测器应用的最低要求。

规划提高功能整合度

功能整合使得类比周边不必再透过速度较慢的序列通讯埠相互沟通，可以利用暂存器加快通讯速度和提供更良好的控制能力，并避免增加外部零件，将泄漏电流减至最少。此处的烟雾侦测器会使用内部比较器，但它需外接一颗运算放大器。

开机时关掉外部类比零件

低静态电流的零件是很好的选择，由于系统不必为了省电而切断它们的电源，所以也就没有稳定时间（settling time）的问题。可携式应用的待机时间通常很长，故可忽略稳定时间造成的影响。设计人员应考虑使用具备关机功能的零件；若零件未提供关机接脚，则可试着经由GPIO直接提供电源给零件，只要零件汲取的电流不超过连接埠的接脚规格。

由于DSP等某些零件就算在关机模式也会消耗过多电流，故在使用这类零件时应考虑透过外部开关元件控制其电源。这些开关元件可由微控制器经由GPIO来控制，并在零件处于闲置状态时切断它的电源。在前面的例子中，红外线接收器讯号只有10nV到200nV，因此需要运算放大器将这些讯号放大。此时所使用之开关元件需提供关机模式和50nA最大待机电流。而如果运算放大器的稳定时间为13.5μs，则基本上可以忽略。

将正常操作模式的耗电量减至最少

除了待机电流会大幅影响平均电流消耗外，把正常操作模式的耗电量减至最少也很重要。设计人员应考虑采用下列措施将耗电量减至最少：

(表一)是烟雾侦测器的处理器和外部零件在正常操作模式下的耗电量粗略估计，注意图中已刻意将处理器关机，比较器和运算放大器则在稳定操作状态。红外线传送器是耗电最大的零件，因此电路会以高效率开启和关闭红外线传送器以便将其工作时间减至最少。待机和正常操作的总平均电流消耗为1.38μA，非常接近1.2μA的最大待机电流消耗。前面提到烟雾侦测器的最大平均电流消耗须为2.5μA才能提供十年操作寿命，此处的1.38μA最大平均电流消耗显然已能达到这项要求。

电源供应设计

电源供应系统设计是可携式应用延长电池寿命的另一项重要因素，这包括电池和稳压器的选择。下列多个设计秘诀可以协助提高电路工作效率，进而延长电池寿命。

使用单一电源

在系统中使用多组电源会增加耗电与成本。多组电源需要多个稳压器，这些稳压器会不断汲取电流而使得电池寿命缩短。使用多组电源也会增加成本，因为它们使得设计需要更多的电位转换器和稳压器。 3V电源供应在可携式应用里相当普遍，这是因为目前的零件大都为3V电压，它们还能提供适当的电压范围以确保类比效能。

《图一 烟雾侦测器的系统方块图》

尽可能使用锂电池

锂电池的输出电压比其它电池都稳定，这能延长电池寿命。商用锂电池的缺点之一在于它的峰值电流较小，因此需要高峰值电流的应用比较适合使用碱性电池。

选择操作电压范围宽广的零件

要让电池拥有最长寿命，就应使用操作电压范围宽广的零件。所有电池的输出电压都会随着使用时间而下降，例如碱性电池就会随着时间线性下降。操作电压范围宽广的零件可协助将电池寿命延至最长，例如最低操作电压从2.7V扩大至2.2V就能让2颗AA电池的使用时间加倍。

使用多组电源时应采用电源管理功能

在应用上有时需要多组电源，像DSP或32位元微控制器的应用系统就是例子。这类系统的待机电流通常很大，而且多半会使用3.0V和1.8V等多组电源来支援I/O与处理器。此时最好增加一颗低成本的小型处理器来协助关掉未使用的电源。

零件选择

市面上的零件种类繁多，前面也提到零件选择是延长电池寿命的重要因素。下列调查有助于设计人员选择最合适的微控制器：

待机模式的影响因素

正常操作模式的影响因素

回答下列问题有助于评估不同的类比零件是否适用

上述的多种低耗电模式管理、电源供应设计和零件选择步骤虽非万无一失，但希望它们能提供一些可靠准则，使下一代可携式应用设计拥有最长的电池寿命。

（作者为TI德州仪器应用工程师）

《表一 处理器和外部零件在正常操作模式下之耗电量》

延 伸 阅 读

本文介绍了各种通讯设备对电池的要求，以及不同充电电池的优缺点及其适用场合，以便帮助工程师为可携式设计选择最佳电池方案。在设计可携式和无线通讯设备时，工程师有多种电池解决方案可以选择，包括镍氢电池（Ni-MH）、锂离子电池、聚合锂电池（PLB）等。相关介绍请见「为可携式通讯设备​​选择最佳电池方案」一文。 使用充电式电池的产品数量与日俱增，同时产品的体积不断缩小，复杂度却持续增加。充电电池也一直在演变中，因为电池厂商一直在创造能够迎合快速变动市场需求的产品。例如，提高电池电压，改变外形和体积，增加能量密度等。你可在「可携式设备的电池管理解决方案」一文中得到进一步的介绍。 选择使用PNP电晶体或PMOS元件之LDO调节器的输出电容器并不容易，因为这些架构通常有特定的ESR需求。本应用文件说明为何要选择较高ESR的电容器，如何进行选择以及决定稳压器是否稳定的方法。在「PMP可携式电源」一文为你做了相关的评析。

市场动态

NS与ARM共同推出PowerWise Interface介面技术。两家公司更会进一步合作，促使业界采用这个开放式介面，作为系统电源管理的标准介面。 PowerWise介面技术为数位处理器及电源管理积体电路的连结提供一个开放的产业标准，使可携式电子设备可以迅速采应用先进的电源管理解决方案。 相关介绍请见「美国国家半导体与ARM发表PowerWise Interface开放标准规格」一文。 沛亨半导体是国内最早投入电源管理IC设计的厂商，多年前成功的进军日本市场，是国内业者中唯一在日本市场有显著斩获的厂商。目前日本市场的营业额占整体营业额比重约8％，近来也派遣研发团队到日本或韩国，与客户直接洽谈产品规格，迅速掌握客户需求，未来在日、韩等市场的占有率可望持续提升。你可在「沛亨电源管理IC在可携式产品的应用」一文中得到进一步的介绍。 TPS65020电源管理元件整合多种高效能类比方块，可提供多组电源给使用单颗锂离子电池的应用，如智慧型手机、PDA、数位相机、以及可携式音讯和媒体播放机。这颗元件内含3组同步降压直流转换器和FET电晶体、3组线性稳压器、以及用来提供完整可程式能力。在「TI整合式电源管理元件提供高效率电源」一文为你做了相关的评析。