【導(dǎo)讀】當(dāng)產(chǎn)品主要設(shè)計(jì)用于電池供電時(shí)，一切都會(huì)發(fā)生變化。小型電池存儲(chǔ)的能量非常有限，但消費(fèi)者想要非常緊湊（讀作“對(duì)于大尺寸電池來(lái)說(shuō)太小”）并且不需要充電的高性能（讀作“高功率”）設(shè)備每二十分鐘。設(shè)計(jì)師要做什么？
當(dāng)產(chǎn)品主要設(shè)計(jì)用于電池供電時(shí)，一切都會(huì)發(fā)生變化。小型電池存儲(chǔ)的能量非常有限，但消費(fèi)者想要非常緊湊（讀作“對(duì)于大尺寸電池來(lái)說(shuō)太小”）并且不需要充電的高性能（讀作“高功率”）設(shè)備每二十分鐘。設(shè)計(jì)師要做什么？
我確信電池工程師正在非常努力地幫助我們，但這并不能改變這樣一個(gè)事實(shí)：我們希望充分利用當(dāng)前可用的任何能量存儲(chǔ)技術(shù)。這意味著，大大延長(zhǎng)電池壽命的主要方法（通常也是方法）是設(shè)計(jì)“用更少的資源做更多的事情”的電路，即實(shí)現(xiàn)所需的功能，同時(shí)限度地減少必須從一個(gè)電池傳輸?shù)碾娮訑?shù)量。將電池的一側(cè)連接到另一側(cè)。
要事
在我們進(jìn)一步討論之前，我們需要確保每個(gè)人在術(shù)語(yǔ)方面都達(dá)成共識(shí)。
電流：這是電荷流過(guò)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的速率。標(biāo)準(zhǔn)單位是安培，其定義為每秒庫(kù)侖（電荷單位）。
能量：這個(gè)詞指的是在完成某件事的過(guò)程中轉(zhuǎn)移的神秘“屬性”（例如，溫度升高、物理運(yùn)動(dòng)、光的產(chǎn)生）。電池儲(chǔ)存化學(xué)能，化學(xué)能可以轉(zhuǎn)換為電能供電路使用。能量的標(biāo)準(zhǔn)單位是焦耳。
功率：在科學(xué)背景下，功率是能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式（例如從電能轉(zhuǎn)換為熱能，或電能轉(zhuǎn)換為電磁輻射）的速率。單位是瓦特，定義為焦耳每秒。
電荷、能量、功率、電流。 。 。
我們通常從電流和功率的角度討論電路，并從電荷或能量的角度討論電池。例如，我們可以說(shuō)某個(gè)特定的運(yùn)算放大器消耗 1 mA 的電源電流；然而，如果電源電流取決于電源電壓，那么這就是不完整的信息。功率規(guī)格包含這兩個(gè)量，因?yàn)殡姽β实挠?jì)算方式為電壓乘以電流。
電池維持電子電路功能的容量以安培小時(shí)（或通常為毫安小時(shí)，縮寫(xiě)為 mAh）表示。從技術(shù)上講，這是一個(gè)收費(fèi)單位：
$$安cdot小時(shí)=frac{庫(kù)侖}{秒}cdot3600秒=3600庫(kù)侖$$
因此，如果電路需要 1 mA（= 0.001 庫(kù)侖每秒）的電流，則 1 mAh（= 3.6 庫(kù)侖）電池可以維持該電路 3600（= 3.6/0.001）秒，也稱(chēng)為一小時(shí)。
認(rèn)識(shí)到毫安時(shí)不是能量單位是一件好事，盡管我們可能將其視為給定電池在必須丟棄或充電之前可以提供多少總電能的一般指標(biāo)。
電池的實(shí)際能量容量取決于可以提供多少電量和多長(zhǎng)時(shí)間，其中功率的計(jì)算方式為電池提供的電流乘以電池端子之間的電壓。 （這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，因?yàn)殡妷弘S著電池放電而降低。）雖然能量（以及能量容量）的標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)單位是焦耳，但我們可以用更方便和直觀的形式來(lái)表達(dá)焦耳，例如毫瓦·小時(shí)。
數(shù)字、模擬和無(wú)源
我們可以通過(guò)考慮不同類(lèi)型的組件對(duì)總電流消耗的貢獻(xiàn)方式來(lái)開(kāi)始分析給定電路的功率要求。
數(shù)字的
以下眾所周知的方程用于預(yù)測(cè)單個(gè) CMOS 反相器的功耗：
實(shí)際上，這只是動(dòng)態(tài)功耗。歷史上，CMOS 技術(shù)可確保非常低的靜態(tài)功耗，但這種情況正在發(fā)生一些變化，因?yàn)殡S著 FET 的縮小，靜態(tài)漏電流變得更加顯著。盡管如此，我們將重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)態(tài)功耗，因?yàn)殡娐钒逶O(shè)計(jì)人員無(wú)法采取太多措施來(lái)降低靜態(tài)功耗。
每當(dāng)輸入從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖交驈牡碗娖睫D(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一陣電流。
無(wú)論如何，上式表明 CMOS 電路中的動(dòng)態(tài)功耗取決于開(kāi)關(guān)頻率 (f)、負(fù)載電容 (C) 和VDD。我們對(duì) IC 的內(nèi)部負(fù)載電容無(wú)能為力，但我們確實(shí)可以對(duì)頻率和 V DD進(jìn)行一些控制。事實(shí)上，在尋求消除不必要的功耗時(shí)，這兩個(gè)量是起點(diǎn)：降低時(shí)鐘頻率、降低電源電壓。實(shí)際上，使用較低的電源電壓也會(huì)降低靜態(tài)功耗，但對(duì)動(dòng)態(tài)功耗的影響更為明顯。
模擬
沒(méi)有簡(jiǎn)單、方便的公式可以應(yīng)用于模擬（和混合信號(hào)）IC，但是一份好的數(shù)據(jù)表應(yīng)該包含大量有關(guān)功耗的信息。這里要理解的重要一點(diǎn)是，您不能僅查看數(shù)據(jù)表的頁(yè)來(lái)準(zhǔn)確確定設(shè)備的電流消耗。
例如，AD8538運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表的頁(yè)顯示“低電源電流：180 A”。這為您提供了一個(gè)總體思路，這很好，但真正的信息位于“典型性能特征”中：
在這里我們看到電源電流同時(shí)受到電源電壓和溫度的影響。（感謝 Analog Devices 將壞情況下的電流消耗放在第 1 頁(yè)。）
雖然一般情況下您可以預(yù)期更高的電源電壓和更高的頻率會(huì)導(dǎo)致更高的電流消耗（與數(shù)字 IC 一樣），但您應(yīng)該檢查數(shù)據(jù)表以獲取詳細(xì)信息。
被動(dòng)
我不會(huì)詳細(xì)討論無(wú)源元件的電流-電壓關(guān)系，這并不完全是深?yuàn)W的知識(shí)。此外，現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常沒(méi)有很多無(wú)源器件——這里有一個(gè)去耦電容器，那里有幾個(gè)增益電阻，可能還有電源線上的鐵氧體磁珠。
然而，了解無(wú)源元件可能會(huì)消耗大量電流的情況。下面是兩個(gè)例子：
上拉（或下拉）電阻：如果 3.3 V 系統(tǒng)中有 1 kΩ 上拉電阻，則只要相應(yīng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)至邏輯低電平，該電阻就會(huì)消耗 3.3 mA 的電流，而單個(gè)電阻器則消耗 3.3 mA 的電流。在低速運(yùn)行的復(fù)雜微控制器拉電流小于 1 mA 的時(shí)代，電流非常大。
如果您的 I2C 總線經(jīng)常處于活動(dòng)狀態(tài)并且您使用低阻值電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的通信頻率，那么您可能會(huì)在此處消耗大量電流。
分壓器：假設(shè)您正在使用電阻分壓器來(lái)降低電源電壓的幅度，以便您可以使用 ADC 監(jiān)控該電壓。這里有一條從 VDD 到地的電阻路徑，該路徑始終處于活動(dòng)狀態(tài)（與上拉電阻相關(guān)的間歇路徑相反）。請(qǐng)記住在選擇電阻值時(shí)牢記您的功耗目標(biāo)。
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