电池效率含义新解及应用

改善电池效率的潜在好处

    Atmel(R) 的 picoPower(TM) 技术Atmel(R) 的 picoPower(TM) 技术能使“节能”的电耗降低到仅有650nA，即使是在 32 kHz 时钟和欠压探测 (Brown-out-detection) 的运行情况下也是如此。这是业界同类产品的工作电流。

     典型的笔记本电脑包含一个3串2并(3S2P)电池组，提供大约50W·h的电力，换算成电池寿命（一般应用情况下）就是4小时。大约10%～15%所损耗的功率是稳压器效率不高带来的直接结果（参看）。所以，实际上有很大余地来改善电源管理，提高稳压器效率，减少在负载点的功率损耗。

  一般模式和TDP模式的功率需求

     处理器每多消耗30%的有源功率，就接续产生3倍的漏电（见）。因此，系统设计师必须使用的休眠模式来降低工作电压，减少漏电。这种方法已经和处理器核成功配合使用好几年了，现在也在和其他的系统负载一起使用，如图形处理器。

  有源功率和漏电功率的消耗

    设计者也正在采取双核处理器来降低电源消耗。双核处理器在更低的电压和工作频率下可以达到同样的性能，原因是两个处理器在共同处理工作负载。

    在系统其他地方，功耗也在下降。例如，LCD背光源的平均功耗就从5W降到了3W。节省能源将是一个持续趋势，工程师们在想尽各种办法来延长电池寿命。

     Atmel AVR 营销经理 Asmund Saetre 表示：“对于众多应用产品来说，长达几年的电池寿命将是一个必须的要求。人们并不真的喜欢更换他们汽车钥匙或者家里 HVAC 系统中的电池。电池使用寿命非常重要，甚至已经成为 ZigBee 规范的一部分。ZigBee 终端产品的电池寿命至少必须达到2年，否则就不会通过。”

     Saetre 总结说：“我们为之开发 picoPower 的系统有着一个共同的属性。它们大多时间内都处于待机状态，但是即使是在睡眠模式下它们都会耗电。尽管节省几个毫微安的电力看起来没有什么大不了的，但是对于在大多数时间内都处于不活跃状态的系统来说，睡眠模式下功耗的一点点改善都能使终端产品的电池寿命延长几年。Atmel 一直致力于消除或者显著降低振荡器、欠压检测器、输入/输出针脚漏电之类的功耗，从而向市场提供功耗的微控制器。”

    Atmel 的 picoPower 技术采用了众多创新的技术，这些技术能够消除在断电状态下不必要的功耗。其中包括一个超低功耗 32KHz 晶体振荡器、睡眠模式下自动终止和重新激活欠压检测电路的工作、能够完全停止对个别外围设备的电力供应的省电寄存器 (power reduction register, PRR) 以及能够切断对特定针脚的数字输入的数字输入中断寄存器。

    300 nA 32kHz实时时钟 (RTC)。许多系统即使是在断电的情况下也要明确时间。Atmel 已经优化了它的 32KHz 晶体振荡器，从而使带有一个实时时钟的设备的总电耗降低到 650 nA。

    带有睡眠模式的 uS Accurate 欠压检测器。欠压检测器探测的是何时电力供应低于设备正常工作所要求的值，一旦探测到这种情况就会启动一个上电复位 (POR) 以保护重要数据。如果没有这种保护，一旦停电，就会对这种控制器造成灾难性的损害，使之无法工作。欠压检测器的准确性直接与其所耗费的电流成比例。低电压或无电压情况下欠压检测器就会反应又慢又不准确，而更准确更快的欠压检测器往往会耗费更多的电。由于欠压检测器通常处于睡眠状态，它们能在很大程度上影响电池的寿命。因此，大多数超低功耗微控制器厂商都会通过牺牲准确性和速度来降低电耗。 而 Atmel 采取的则是一种新的方法，即开发出一种欠压检测器，这种检测器有着足够大的电流，从而能够在1.8伏特、2.7伏特和4.5伏特的条件下，在2微秒的反应时间内提供准确的探测。电力的节省是通过在睡眠状态下自动使欠压检测器停止工作，并且在控制器被唤醒时（在执行任何指令前）激活欠压检测器来实现的。这种方法可以通过明显更少的电力消耗来提供更佳的保护。

    数字输入中断寄存器。针脚数量较少的微控制器常常将模拟数字转换器与数字 IO 集中在相同的针脚上。这会导致电流通过数字 IO 缓冲器漏泄。Atmel 已凭借专用输入中断寄存器 (DIDR) 解决了这一问题，该设备可通过软件将数字缓冲器从用于模拟数字转换器读数的输入设备中断开。

    省电寄存器。picoPower AVR 微控制器上的省电寄存器 (PRR) 包含有能够完全阻止时钟分配至未使用的外设模块的控制位。这种省电寄存器由能使用户随时打开和关闭外设模块的软件控制。当外设模块被省电寄存器断开时，供电停止，所有的 I/O 寄存器均无法访问。重新激活后，外设模块会回复到断开以前的状态。断开外设模块的电耗比激活模式下减少5-10%，比待机模式下减少10-20%。

     时钟门控 (clock gating) 技术。Atmel 还实现了可动态配置的时钟门控技术，该技术能够冻结电路某些部分中不需要的时钟。一旦再激活，模块启动后的状态一如从前。时钟门控还能够用于减少噪音并在需要更高分辨率数据的场合改善模拟数字转换器的性能。

     低时钟频率闪存采样 (Flash Sampling)。常规微控制器在工作模式时闪存处于通电状态，从而造成了几赫兹或更少的低操作频率下不必要的静态功率消耗。AVR 微控制器采用一种叫做闪存采样的技术，该技术使闪存能够在几纳秒的时间内对数组的内容进行采样，然后立即停止其功能，从而显著减少电流泄漏。

效率：在什么工作条件下测试

    在典型的笔记本电脑里，稳压器工作在一个封闭的环境里，温度在45～  50℃，空气不流通。然而，稳压器测试时是在室温条件下，并且是开放的环境。所以，这两种环境的差异需要考虑进去。

     设计者还必须决定系统工作在什么电压和电流条件下。典型的笔记本电脑适配器输出电压为19V，而典型的处理器稳压器在1.25V时输出电流可达45A。在这些典型应用条件下，功耗时的差热耗条件可以估计出来，但是对评估系统的潜在电池寿命并不提供多少帮助。笔记本电脑设计者必须考虑所有工作条件下的效率（见）。为延长电池寿命，单个电池单元的输入电压是3.3～3.7V。在3串2并的电池组里，对应的电压在9.9～11.1V，在绝大多数放电周期里电池组输出电压基本保持不变。电池组效率应该在满负荷情况下测试，因为这是稳压器通常工作的状态。稳压器效率测试也应该包括休眠模式时的电压和电流水平，这样可以使设计者对系统内器件的静态性能有一个更好的了解。

  工作条件下的电源效率

    为优化高负荷以及低负荷效率，工程师还应该分析典型的使用模式。受热耗目标的驱使，设计师过去的做法是在满负荷时优化效率，但是却牺牲了电池寿命。在中度功率水平的系统内，可能在相对低功率水平时拥有峰值效率是适宜的。低负荷效率对系统电池寿命影响也很大。试想一下这种情形：典型的40W处理器90%是工作在0.5W之下。