【導(dǎo)讀】當產(chǎn)品主要設(shè)計用于電池供電時，一切都會發(fā)生變化。小型電池存儲的能量非常有限，但消費者想要非常緊湊（讀作“對于大尺寸電池來說太小”）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)計師要做什么？
當產(chǎn)品主要設(shè)計用于電池供電時，一切都會發(fā)生變化。小型電池存儲的能量非常有限，但消費者想要非常緊湊（讀作“對于大尺寸電池來說太小”）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事實：我們希望充分利用當前可用的任何能量存儲技術(shù)。這意味著，大大延長電池壽命的主要方法（通常也是方法）是設(shè)計“用更少的資源做更多的事情”的電路，即實現(xiàn)所需的功能，同時限度地減少必須從一個電池傳輸?shù)碾娮訑?shù)量。將電池的一側(cè)連接到另一側(cè)。
要事
在我們進一步討論之前，我們需要確保每個人在術(shù)語方面都達成共識。
電流：這是電荷流過導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的速率。標準單位是安培，其定義為每秒庫侖（電荷單位）。
能量：這個詞指的是在完成某件事的過程中轉(zhuǎn)移的神秘“屬性”（例如，溫度升高、物理運動、光的產(chǎn)生）。電池儲存化學(xué)能，化學(xué)能可以轉(zhuǎn)換為電能供電路使用。能量的標準單位是焦耳。
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，我們可以說某個特定的運算放大器消耗 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)格包含這兩個量，因為電功率的計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（或通常為毫安小時，縮寫為 mAh）表示。從技術(shù)上講，這是一個收費單位：
$$安cdot小時=frac{庫侖}{秒}cdot3600秒=3600庫侖$$
因此，如果電路需要 1 mA（= 0.001 庫侖每秒）的電流，則 1 mAh（= 3.6 庫侖）電池可以維持該電路 3600（= 3.6/0.001）秒，也稱為一小時。
認識到毫安時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。
電池的實際能量容量取決于可以提供多少電量和多長時間，其中功率的計算方式為電池提供的電流乘以電池端子之間的電壓。 （這不是一個簡單的計算，因為電壓隨著電池放電而降低。）雖然能量（以及能量容量）的標準科學(xué)單位是焦耳，但我們可以用更方便和直觀的形式來表達焦耳，例如毫瓦·小時。
數(shù)字、模擬和無源
我們可以通過考慮不同類型的組件對總電流消耗的貢獻方式來開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)測單個 CMOS 反相器的功耗：
實際上，這只是動態(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，因為隨著 FET 的縮小，靜態(tài)漏電流變得更加顯著。盡管如此，我們將重點關(guān)注動態(tài)功耗，因為電路板設(shè)計人員無法采取太多措施來降低靜態(tài)功耗。
每當輸入從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖交驈牡碗娖睫D(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r，就會產(chǎn)生一陣電流。
無論如何，上式表明 CMOS 電路中的動態(tài)功耗取決于開關(guān)頻率 (f)、負載電容 (C) 和VDD。我們對 IC 的內(nèi)部負載電容無能為力，但我們確實可以對頻率和 V DD進行一些控制。事實上，在尋求消除不必要的功耗時，這兩個量是起點：降低時鐘頻率、降低電源電壓。實際上，使用較低的電源電壓也會降低靜態(tài)功耗，但對動態(tài)功耗的影響更為明顯。
模擬
沒有簡單、方便的公式可以應(yīng)用于模擬（和混合信號）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是，您不能僅查看數(shù)據(jù)表的頁來準確確定設(shè)備的電流消耗。
例如，AD8538運算放大器數(shù)據(jù)表的頁顯示“低電源電流：180 A”。這為您提供了一個總體思路，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。）
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)表以獲取詳細信息。
被動
我不會詳細討論無源元件的電流-電壓關(guān)系，這并不完全是深奧的知識。此外，現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常沒有很多無源器件——這里有一個去耦電容器，那里有幾個增益電阻，可能還有電源線上的鐵氧體磁珠。
然而，了解無源元件可能會消耗大量電流的情況。下面是兩個例子：
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)信號驅(qū)動至邏輯低電平，該電阻就會消耗 3.3 mA 的電流，而單個電阻器則消耗 3.3 mA 的電流。在低速運行的復(fù)雜微控制器拉電流小于 1 mA 的時代，電流非常大。
如果您的 I2C 總線經(jīng)常處于活動狀態(tài)并且您使用低阻值電阻來實現(xiàn)更高的通信頻率，那么您可能會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狀態(tài)（與上拉電阻相關(guān)的間歇路徑相反）。請記住在選擇電阻值時牢記您的功耗目標。
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