【導讀】當產品主要設計用於電池供電時，一切都會發生變化。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“對於大尺寸電池來說太小”）並且不需要充電的高性能（讀作“高功率”）設備每二十分鍾。設計師要做什麼？

當產品主要設計用於電池供電時，一切都會發生變化。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“對於大尺寸電池來說太小”）並且不需要充電的高性能（讀作“高功率”）設備每二十分鍾。設計師要做什麼？

我確信電池工程師正在非常努力地幫助我們，但這並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。這意味著，大大延長電池壽命的主要方法（通常也是方法）是設計“用更少的資源做更多的事情”的電路，即實現所需的功能，同時限度地減少必須從一個電池傳輸的電子數量。將電池的一側連接到另一側。

要事

在我們進一步討論之前，我們需要確保每個人在術語方麵都達成共識。

電流：這是電荷流過導體（或半導體）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移的神秘“屬性”（例如

，溫度升高、物理運動
、光的產生）。電池儲存化學能，化學能可以轉換為電能供電路使用。能量的標準單位是焦耳。

功率：在科學背景下，功率是能量從一種形式轉換為另一種形式（例如從電能轉換為熱能，或電能轉換為電磁輻射）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，並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
，如果電源電流取決於電源電壓，那麼這就是不完整的信息。功率規格包含這兩個量
，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於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。

數字的

以下眾所周知的方程用於預測單個 CMOS 反相器的功耗：

實際上，這隻是動態功耗。曆史上
，CMOS 技術可確保非常低的靜態功耗，但這種情況正在發生一些變化，因為隨著 FET 的縮小，靜態漏電流變得更加顯著。盡管如此，我們將重點關注動態功耗，因為電路板設計人員無法采取太多措施來降低靜態功耗。

每當輸入從高電平轉變為低電平或從低電平轉變為高電平時
，就會產生一陣電流。

無論如何，上式表明 CMOS 電路中的動態功耗取決於開關頻率 (f)、負載電容 (C) 和VDD。我們對 IC 的內部負載電容無能為力
，但我們確實可以對頻率和 V DD進行一些控製。事實上
，在尋求消除不必要的功耗時，這兩個量是起點：降低時鍾頻率、降低電源電壓。實際上，使用較低的電源電壓也會降低靜態功耗，但對動態功耗的影響更為明顯。

模擬

沒有簡單、方便的公式可以應用於模擬（和混合信號）IC
，但dan是shi一yi份fen好hao的de數shu據ju表biao應ying該gai包bao含han大da量liang有you關guan功gong耗hao的de信xin息xi。這zhe裏li要yao理li解jie的de重zhong要yao一yi點dian是shi，您nin不bu能neng僅jin查zha看kan數shu據ju表biao的de頁ye來lai準zhun確que確que定ding設she備bei的de電dian流liu消xiao耗hao。

例如
，AD8538運算放大器數據表的頁顯示“低電源電流：180 A”。這為您提供了一個總體思路
，這很好
，但真正的信息位於“典型性能特征”中：

在這裏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期更高的電源電壓和更高的頻率會導致更高的電流消耗（與數字 IC 一樣），但您應該檢查數據表以獲取詳細信息。

被動

我不會詳細討論無源元件的電流-電壓關係
，這並不完全是深奧的知識。此外，現代嵌入式係統通常沒有很多無源器件——這裏有一個去耦電容器，那裏有幾個增益電阻，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。下麵是兩個例子：

上拉（或下拉）電阻：如果 3.3 V 係統中有 1 kΩ 上拉電阻
，則隻要相應信號驅動至邏輯低電平，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。在低速運行的複雜微控製器拉電流小於 1 mA 的時代，電流非常大。

如果您的 I2C 總線經常處於活動狀態並且您使用低阻值電阻來實現更高的通信頻率，那麼您可能會在此處消耗大量電流。

分壓器：假設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 監控該電壓。這裏有一條從 VDD 到地的電阻路徑，該路徑始終處於活動狀態（與上拉電阻相關的間歇路徑相反）。請記住在選擇電阻值時牢記您的功耗目標。

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