最大限度延长电池使用时长的十种方法

如今，由电池驱动的便携式设备已蔓延到社会的各个角落。移动计算和感应装置也在不断涌现，为工程师们提供了大量数据和应用。但这些便携式设备配备的电池在尺寸和重量上都有所缩减，这限制了电池的容量。由于需要考虑设备提供的多种功能，又要兼顾电池的充电时间间隔，因此减小电池的尺寸和重量就变得更加难以实现了。选择低功耗微电子整流器显然是解决这个问题的第一步，然而还有很多种通过软件和硬件省电的方法，这些方法可以确保每毫安时的电量得以充分利用。

方法1：建立电池预算

在早期的设计流程中，人们往往强烈建议纳入电池预算。人们可对当前电路板上各个器件所需的电流进行统一记录，以大体了解所需的电流量，以及所选电池是否适用。器件电池预算数据表列出了每个器件所需的最低标准及最大电流。据保守方法估计，电池预算仅基于器件所需的最大电流值进行。既然excel工作表格易于复制，可以分别依据标准和最大电流进行电池预算，这将提供一个更全面的电流范围。如果需要更多的电池，请不要擅自推进计划，预先做些必要的改变可避免在接下来的数周或数月内走弯路。表1为电池预算模板示例，可从作者网站的设计文章/设计流程中下载。

方法2：将不用的MCU I/O引脚设为最低功率状态

对于当前不用的I/O引脚而言，人们很容易忽略应该做什么样的设置。这个小小的疏忽有可能会使本来很有销路的产品变得无人问津。对于如何处理不用的引脚，每个微控制器都提供了不同的建议，仔细查看数据表后就会明白应该如何处理。例如，根据某芯片供应商提供的电池预算数据表中的建议，任何不用的I/O引脚的输出和驱动都应设置为低功率状态，其目的是最大限度地降低泄漏和静态电流，从而将用电量降到最低。尽管这些引脚泄漏的电流很小，但日积月累，也会消耗掉很多电量。

方法3：关闭不用的MCU外围设备

就像在家里一样，为了节约用电，哪个房间没人就应该把哪个房间的灯关闭。微控制器也一样。若有模数转换器或脉宽调制器这种不用的外围设备，应将其关闭以节约用电。外围设备的耗电量非常大!你可以从数据表中选择一款最喜欢的微控制器，并浏览数据表的耗电量数据，看其外围设备的耗电量是多少。有些供应商不提供这方面的信息，工程师可以在台架上安装一些硬件，并使用测试软件通过打开、关闭外围设备获取其电流信息。在所有的外围设备中，模数转换器及USB外围设备所消耗的电量往往最大。

方法4：关闭不用的MCU时钟

既然所有不用的外围设备都已关闭，为其设置时钟信号也就没有多大意义了。为了传递时钟信号，为微控制器内部不同的外围设备设置时钟信号会消耗很多电量(内部的时钟脉冲门需要通电)。这些脉冲门需要提供电压和少量电流。为了将MCU的耗电量降到最低，应关闭所有不用的时钟。虽然这样做短时间内能节省的电量并不多，但是聚沙成塔，时间长了省下的电量也会非常惊人!

方法5：使用省电模式

当前所有的微控制器都提供省电模式。其中采用的理念是将处理器和外围设备设置为一种近似关闭或停止但同时又可以快速切换至正常工作的状态，以最大程度地降低耗电量。大多数微控制器支持至少三种用电模式，然而更高级的处理器支持的用电模式甚至超过了七种，开启、空闲和备用是最常见的三种用电模式。对某运营商提供的耗电量检验结果数据表显示，开启模式、空闲模式和备用模式下微控制器所需的电流分别为24mA、5.6mA和0.1mA，差异非常大。适当使用省电模式可以大大延长电池的使用时长。[p]

方法6：调节系统时钟的频率

MCU采用的时钟频率也是可以延长电池使用时长的一个潜在因素。CPU时钟频率和运行微型处理器所需电流量之间有直接的线性关系。从图1中可看出，时钟频率越高，所需的电流也越高。不断调节微控制器的时钟频率是一种省电的好方法。当需要进行密集计算或快速操作时，可调高时钟频率。当任务完成，系统在低频率状态下运行时，可调低时钟频率。调节系统时钟的频率有可能会将电池使用时长延长数小时。请注意，这是一项复杂的操作。在调整时钟频率之后，所有跟踪时钟信号的外围设备都必须相应地更新其时钟分频器的设置，使分频器保持相同的运行速率。

方法7：使用高效的算法

使用高效算法基于这样一个事实：系统在低功率模式和低频率状态下运行的时间越长，电池的使用时长就会相应增加。使用高效、快速的算法可延长系统在省电模式下运行的时间。在省电模式下，系统所需电流仅相当于在全开模式下所需电流的很小一部分。应尝试让所设计的软件和系统在完成必要的操作之后，随即进入低功率模式。但愿这样做不仅可以延长电池使用时长，还可以使电池变得更小、更轻便和更便宜。

方法8：注意泄漏电流较大的器件

设计电路时，必须对泄漏电流和静态电流有充分的了解。如必要，应构建出电路原型并验证其电流消耗。应注意需要高待机电流和低上拉电流或低下拉电流的器件，确保将该信息写入电池预算中。

方法9：选择可关闭的外部组件

在硬件设计期间选择组件时，选择具有低功率模式或可以关闭的传感器及外部组件非常有用。像EEPROM、闪存和传感器这样的外部组件通常都支持低功率模式。如果它们不支持低功率模式，可以通过几种方法关闭这些外部组件。其中一个方法是设计开关(例如FET)，之后利用开关打开或关闭外部组件。该方法存在的一个问题是，工程师需在设计中包含一个至少0.3V~0.7V的二极管电压降，否则会影响组件的运行。第二个方法是使用一个带有使能/去使能引脚的校准器。

方法10：为器件添加一条电压和电流监控电路

工程师需要根据数据做出设计决策。在很多情况下，电池使用时长优化是项目中的最后一环。项目团队会首先实现产品的其它特性，直到产品进入生产线之前，他们才开始想办法延长电池的使用时长。通过两条简单的电路对电池的电压和电流进行监测是了解系统电池性能最好的方法之一。监测信息可被记录下来，以便用来确定放电/充电周期及稳态电流，并从电量使用的角度真正了解系统如何运行。凭借此方法，实施本文中介绍的任意一种省电方法后，就可以确定节约了多少电。

这些省电方法也适用于那些难以省电的、耗电量较大的器件。由于这些省电方法会降低系统耗电量、提高系统运行效率，因此在产品设计期间就应该想到这些方法，而不是在产品推出时才关注这一问题。希望传感器的最新设计方案能充分延长电池的工作时长。省电快乐!