这个由两部分组成的系列的第一部分(使用交流线路电源的设计)发表在上一期的《对话》(29-3)上。在其中，我们讨论了使用传统(即非单电源特征)有源器件(如运放大器，a /D和D/ a转换器等)转换为单电源系统的影响和性能权衡，然后进一步描述了来自提供单电源操作的器件的几个新产品系列和工艺，而不受传统器件的速度和动态范围的限制。我们在这里继续讨论低功耗操作设计中涉及的考虑因素，特别是便携式和远程电池应用。

电池供电系统

在电池供电的系统中，时间是关键参数。与交流供电系统不同，交流供电系统的供电电压在指定范围内变化，额定电流的可用性在持续时间内是无限的，而电池只能在需要充电或更换之前提供有限的供电时间。此外，随着电池放电，漏电流越大，电池电压(或电源轨)下降越大(图1)。

因此，设计一个高效的电池供电系统的关键是:(a)通过最小化电路所消耗的电流，特别是连续的“静态电流”，来最大化电池寿命;(b)如有需要，在电池与负载之间采用某种形式的调节电路，在放电期间将供应给负载的电压维持在恒定水平。例如，一个容量为100毫安时的电池为一个消耗1毫安时的电路供电，在需要充电或更换之前，它可以工作大约100小时。如果这个静态电流减少到100 uA，电池寿命理想地增加到大约1000小时。

在设计电池供电系统之前，了解系统使用的环境、要求和操作条件是很重要的;这将允许设计师确定应该使用哪种类型的电池(例如，初级或次级)，以及电池需要更换或充电的频率。

例如，诸如便携式工业数据记录仪或紧急医疗监视器之类的系统通常可以在夜间(或不使用时)充电，因此可以使用二次电池或可充电电池。另一方面，诸如远程气象站、地震数据记录仪或信号信标等低功耗、电池供电的设备可能需要在不更换电池或充电的情况下运行数周甚至数月;对于这种应用，可以选择“一次性”原电池。

调节电池输出:在电池放电期间，电池和负载之间的调节器使供电轨保持恒定电压。这一点很重要，原因如下:

·对于运算放大器和其他类似的线性器件，电源电压的变化会使直流输入偏置电压偏离其预修剪值。在大多数情况下，这种偏移量的微小变化可能对系统的精度影响很小或没有影响;然而，在高精度或低级应用程序中，这可能是一个问题。

例如，大多数精密运算放大器在直流时的电源抑制(PSR)为120至100 dB。这相当于1到10微伏每伏特的电源变化。如果电源(电池)电压从5.0 V降至3.0 V，则输入失调电压的移位将为

对于100 dB(至0.001%)的电源抑制，这相当于20µV的偏移变化。这可以在使用敏感的B, R和S型热电偶的温度监测系统中代表相当数量的度，温度灵敏度为10 μ V/°C或更低。

·一些设计人员可能会使用电源轨作为数字和/或数字转换器的参考。除非测量是比例测量，否则使用原始电池输出作为电压参考可能导致精度问题。例如，电池电压的两伏特变化会导致数据转换器的比例因子下降40%。n位A/D或D/A转换器的LSB(最低有效位)权值为V(REF)/2(n)。5 V与电源电压V比较，作为参考:

2exp(n) 5v 3v

2exp(-12) 1.22µV 732µV

2exp(-16) 76µV 46µV

稳压装置，如REF19x系列，在稳定电源或参考电压方面很有用。它们将其输出电压保持在一个恒定的水平，直到稳压器达到其“掉出”电压，即稳压器不能再保持其输出恒定的值(图2)。

使用稳压器确实需要更高的电池电压，但具有低降电压的类型可以最大限度地减少使用额外的电池。例如，3-V REF193的压降电压范围从0.8 V (10 ma负载)到0.3 V(最小负载)。

延长电池寿命:延长电池工作时间的方法有三种:(1)如果需要连续工作，尽量减少静态电流;(2)脉冲接通和断开负载，使电池工作在较低的占空比;(3)不使用时断开电路的电源。

(1)最小化静态电流:系统的整体静态电流可以通过

(a)按比例增加电路中所有偏置电阻的值(并不总是一个好主意，因为它可能导致更高水平的约翰逊或电阻噪声)

(b)使用单片器件，如运算放大器或数据转换器，其设计为在低功率(1ma)或“微功率”(100 μ a)电平下从单个+ 3v到+ 5v电源轨运行。随着市场上的设备越来越多，解决方案的选择也在不断扩大，以满足各种运营功率预算;包括:运算放大器，数据转换器，多路复用器，开关，参考等。

图3是一个典型的，电池供电，多通道数据采集“信号链”使用单电源，低功耗设备的例子。

(2)脉冲负载开启和关闭:当需要采样测量时，这是一种有用的方法。例如，REF19x系列具有TTL“休眠”控制输入，允许周期性地接通和关闭负载，例如15 mA，剩余静态电流损耗为5µa。

(3)使电路断电:使电路断电(一般情况下是接通和断开负载)是另一种节省电池电量的方法。与脉冲情况一样，它有一些潜在的问题，需要在实现之前了解:

(a)电池接通后，必须留出时间让所有电路稳定下来。一个显著的例子是用于A/D和/或D/A转换器的内部(或外部)电压基准。如果导通后没有足够的时间使基准稳定，并且进行a - d转换或D-A更新，则会发生增益误差。如果对参考输出进行滤波以降低噪声，所需的沉降时间将进一步增加;滤波器电容将需要额外的时间来充电到其全部值。

(b)当一个或数字信号仍然被应用时，关闭放大器或数据转换器的电源不是一个好主意。在运算放大器的情况下,应用一个积极的信号不受保护的运算放大器的积极或消极的输入没有电力供应铁路引起的内部pn结正向偏置导致电流从信号源到供应铁路(图4)。如果允许电流流动在一个不受保护的放大器在足够的时间,损害可能发生放大器由于“金属迁移”或退化(蒸发)的跟踪。

A-D和D-A转换器也存在同样的问题，如果电源关闭，但在转换器的数字输入端输入逻辑信号仍然有效。

(c)目前市场上许多较新的低功耗设备都具有断电或“休眠”操作模式，即关闭设备的某些功能以节省电力，但设备本身仍处于“活动”状态，即保持其工作状态。例如，一个断电的D/ a转换器仍将保留其锁存的数字数据。具有断电或“睡眠”操作模式的设备通常被设计为在断电模式期间不受其输入处存在的数字信号的影响。

提供独特功能的器件的一个例子是AD7896 12位采样a /D转换器。AD7896具有专有的自动断电模式，一旦转换完成，a /D自动进入“睡眠”模式，并在下一个转换周期之前自动“唤醒”。在“睡眠”操作模式期间，静态电流减少了数千倍，从4 mA降至5µA。

电池入门

电池由一个能量电池或一组电池组成，它们串联起来以获得更高的电压，并联起来以获得更高的输出电流。

电池的电能是由阳极、阴极和电解质材料之间的化学反应产生的。值得注意的是，在电池术语中，正极是阴极，负极是阳极。

用于阳极、阴极和电解质的材料及其数量主要决定电池的输出容量，以安培小时(Ah)或瓦小时(Wh)表示。其他因素，如能量密度(Ah/kg)、相对尺寸、成本、热稳定性、储存寿命等，也是材料选择的一个函数。该图比较了几种原电池类型的放电特性。[摘自保罗·霍洛维茨和温菲尔德·希尔的《电子艺术》第二版，由电池文献的作者改编。]剑桥(英国):剑桥大学出版社，1989。

电池分为初级电池(不可充电)、次级电池(可充电)或备用电池(激活前不工作):

1. 原电池通常相对便宜;它们通常用于期望以最小电流损耗长期运行的应用中。例如，用于“无钥匙”进入/报警的汽车微型远程激活装置、便携式手持万用表、便携式远程数据记录仪、远程或紧急信号装置等。标准的AA, C和d尺寸的干电池可以在手电筒，玩具等中找到，是低成本，消费型原电池的例子。

2. 二次电池的优点是可充电;它们经常出现在交流供电系统(例如，大型计算机或应急照明系统)的备用电池中，其中二次电池由系统连续充电，或者在需要短时间爆发高能输出的应用中，例如在便携式电动工具中。

3. 备用电池是为长期储存而设计的，除非添加了关键的化学元素(通常是电解质)，否则不能提供任何输出。汽车经销商货架上的12伏电池就是备用电池的一个例子。

下表列出了最常见的电池类型及其特性: