Notes on optimizing battery life:

Maurycy，个人技术博客，分享软件开发、编程技巧与技术思考。关注

好，你有一台带电池的东西，你想让它长时间运行。

我会用经典的CR2023非充电锂“投币电池”作为例子，但这里的内容适用于其他类型的电池。（除了具体的电压和容量数字）

首先，测量电流和电荷的功耗，也就是电荷。把一切都转化为能量和能量很诱人，但别这么做。

大多数电路的功耗更接近恒定电流而非恒定功率：微控制器的单一时钟周期涉及充放一定数量的MOSFET门。这需要一定数量的库仑，而不是焦耳。

线性稳压器将任何电路变成完美的电流汇：无论提供多少电位，器件都能看到恒定电压，并且始终流用相同的电流。

即使你不使用，大多数芯片也会用少量电压来产生内部电压。这是AVR32DD32微控制器在电压下的“典型”电流消耗，来自数据手册:

黑色：25°C。黄色：125°C。

此外，电池容量几乎普遍以毫安小时为单位表示电量：一块100mAh电池可以支持1毫安电流，持续100小时，之后就会“没电”。（后面会详细说明这是什么意思）

非理想电池：

这块电池上面刻着3伏......但这有点谎言：

用仪表测量电池，电压实际上是3.3伏。不过，查看数据手册后，要达到厂商宣称的235 mAh容量，需要在2伏以下工作：

来自数据手册（是的，这些都有）

使用这些“CR”锂/MnO2电池时，放电曲线相当平坦：一个只能在标称电压85%（2.6伏）工作的设备，仍然能使用大约90%的容量。

然而，“碱性”锌/MnO2 1.5伏电池在剩余四分之一电量时会低于标称值的80%。制造商认为它们在0.8伏时是死电的——大约是原始电压的一半。

在典型电路中，两块电池串联产生大约3V的电源。要达到宣传容量，设备必须能降至1.6伏：和（新鲜的）单细胞一样！

把供电电压想象成预算：如果你的电池电压降到2伏，而MCU需要1.8伏，其他元件参与供电的电压不得超过200 mV。

并不是说同一个MCU不能用两节AA电池，但它无法使用最后10%左右的容量，因为它需要每格至少1.8 / 2 = 0.9伏。

好的，那设计时是标称电源电压的一半吗？

不！

电池具有非平凡的内阻，当任何电流被拉动时，都会引起电压降：投币电池通常约为10欧姆，而大型AA电池约为0.1欧姆。

为了理解原因，我们来看一下硬币单元的工作原理：在负极上，一块锂金属失去电子并溶解到电解质中。

李→李++e-

产生的离子会传递到正极，从二氧化锰中窃取氧气：

2 MnO2 + 2 Li+ + e- → Li2O + Mn2O3

这个反应释放大量能量，因为锂是一种碱性金属，锰其实并不在意。释放的能量实际上是驱动连接电路的动力。

关键是，整个过程依赖于正锂离子到达并与正电极反应：在电池产生的电场中移动。

开路电压3.3伏足以完全停止反应。这就是为什么电池只有在电路耗尽部分积累的电子后才会放电...... 但为了使反应以合理速率进行，电压必须远低于测得的开路电压。

如果你做过化学实验，应该会发现温度会影响它：

经验法则是，要在-40摄氏度下工作，计划在室温下内阻是10倍。如果你看到电压轨在20°C时下降50 mV，确保电压仍有足够的电压在下降500 mV时循环。

另一个影响反应速率的因素是试剂的数量，换句话说，电池中剩余的电荷：随着电池耗尽，电阻会增加。

作为测试，我放电了一块400毫安的碱性电池：

橙色：开路，蓝色：负载状态

新电池时，拉近半安培的电流只能产生100毫伏，也就是0.25欧姆。当电池电量半空时，电阻翻倍到大约半欧姆。在60%放电时，负载不足电压已降至0.8伏“死”阈值以下。

降低电压需求在这里无济于事：不久之后，电阻大幅增加，导致我的测试设备需要供电以强制送达400毫安电流。

较小的CR2032电池起始电压约为10欧姆，开路电压降至2伏时可达数百欧姆。

因此，任何耗电较大的电路都无法使用满额定容量。对于脉冲负载，大容量电容可以帮忙，但它们也有自己的问题，稍后我会详细说明。

而且电池随着时间变差。电解质可能会蒸发/泄漏，副反应会形成阻碍电流的层。

你很可能经历过这种情况：一块电池在电表上测试正常，但实际上拒绝供电。

发生的情况是它产生了巨大的内部电阻（许多杀欧姆）。与高阻抗万用表串联时，不会产生明显的电压降。当连接到实际设备时，电压几乎降到零。

这就是为什么你应该对任何关于20年、30年、50年电池寿命的说法保持怀疑。当然，这可能是用标称容量除以平均电流消耗的结果，但电池在这么长时间后能不能正常工作：我怀疑连制造商都不太清楚十年或二十年后会发生什么。

还有自放电，漏电流会消耗电池，即使电池放在架子上：制造商通常以年产能百分比给出。

因为电池放电时电压变化不大， ——而且水流很小—— 这只是原始容量的一小部分，而不是剩余容量的。

仅凭这点，AA电池在5年内就足以报废，具体时间取决于温度（越热越糟）...... 但这并不是唯一的机制：仅仅因为自放电暗示有一百年的保质期，并不意味着它一百年后真的会奏效。

另一个“有趣”的现象是电压下降：

拉电流会消耗电极周围的化学物质，导致电阻暂时增加。

对半空的ZnMnO2 500 mAh电池施加400毫安电流脉冲，导致内部电阻在40秒内完成三倍：

黄色：电池电压。蓝色：当前

最终电池恢复了，但花了大约一分钟左右：

实际上是不同脉冲的痕迹，所以起始电压更高。

有趣的是，即使没有电流被抽取，电池电路的电压仍然没有回到应有的位置。

这正是“抵抗”模型开始崩溃的地方。更准确地说，脉冲暂时将电池推向下了放电曲线：增加电阻并降低开路电压。

当电池几乎耗尽时，情况会更糟：我对一个耗尽80%的电池施加了类似的10秒脉冲，开路电压大约花了5分钟才回升到0.8伏以上。

这种效应因温度（越冷越糟）和电荷状态而变化很大，所以包含在内是个好选择设计能够持续电流的电路时，需要宽大的电压裕度。

简而言之，当......

• ...好冷

• ...电池快没电了

• ...电池被使用了

• ...你什么都不做

要预料到比工作台上看到的电压降要差得多：在寒冷的夜晚，用几乎空的投币槽，每抽取一个毫安电流，损失电压可能高达一伏。

考虑到这一点，现在是时候审视这些容量数据了。如前所述，目标超过十年基本没意义，因为电池老化。这些CR2023电池的保质期是10年，所以我的目标是：

从CR2032（~230 mAh）电压到2伏时，设备平均可耗电2.6 uA。从AA（~3000 mAh）AA电池中，如果每节电池电压降至0.8伏，设备可耗电34 uA。

...所以我们有电压预算和目标电流。请记住，当拉动超过几微安培的脉冲时，内阻会降低电压。

测量技术：

这些小电流带来了一个问题：大多数万用表在微安培以下表现不佳。有能精确到纳安培的台式型号，但价格相当昂贵。

理论上，测量电流很容易：在电路中插入一个已知电阻，测量其两端的电压降...... 不过这要么需要增加较大的电阻，要么测量极小的电压。

更好的方法是使用运放来隐藏被测器件的电压降：

放大器试图保持两个输入电压相同，这需要它完全匹配设备的电流通过反馈电阻。这导致电压与用作并联时完全相同，但负载电压为零。

那个另一个opamp是怎么回事？

由于大多数芯片有两个运算放大器，我用另一个做VDD/2供线，作为地线使用。这使得芯片能够访问上下两侧的电压。

大多数现代芯片都是“轨道对轨道”，意味着它们设计成靠近某个供电轨道工作...... 但这个方法效果不太好：

考虑输入电流降为零时会发生什么。放大器必须将输出（带有非平凡电容）降到零。如果放大器能做的最好事情就是把输出接到负轨，电压会呈指数衰减，接近零但永远无法达到。

这会是个大问题吗？大概不会。让芯片的工作尽可能简单是个好主意吗？是的。

额外好处是，这使设备能够测量双向电流。

使用100 pA/mV范围，电路的偏移量是~10 pA，所以不完全是皮安计，但很接近。这使得它适合测试MOSFET、二极管、电容器等的泄漏。

然而，这个设计有一个巨大的问题：它在一个相当适中的点下是零负荷电压。一旦输出达到最大值（100 nA - 100 uA，取决于范围），设备就能看到完整的并联电阻。

这对元件泄漏测试来说不是问题，但在测量微控制器拉取的电流时，这就成了问题。

测量睡眠电流时，最好构建一个永远不会唤醒的固件镜像，启动时短接电表输入或连接第二个电源。

另一种选择是使用一个微小的反馈电阻：在输入和输出之间连接一个1 k欧姆电阻，可获得1 uA/mV的范围，最大为1 mA。微控制器启动后，可以拆除电阻来测量其睡眠电流。（如果你画的比这更多，可能就不该画了）

这也是避免切换距离时MCU崩溃的好方法，根据选择开关的几何形状，可能会导致短暂断开连接。

屏蔽不是可选的： 100皮安培是一种在空气中漂浮的电流。

最好把整个设备放在一个连接到电表接地的金属盒子里。将同轴线连接到示波器或仪表是可以的，因为导线的护套与屏蔽的其余部分相连：这不是射频技术。

如果没有盒子，用铝箔包住整个盒子也差不多。（确保它不碰到任何东西！）

另外，小心屏蔽干扰后再用电源重新引入干扰有点傻。所以最好所有设备都用电池：两个1.5伏碱性电池提供3伏，四个电池足够接近5伏。

另外，要注意接触电表或被测部件的部件：一张便签纸可以轻松导电5伏的纳安培电流。木材和织物同样是个问题。

如果不确定是不是问题，就去测试一下。

测量电容器时，有一个非常烦人的特性需要注意：介电材料可以在数小时内缓慢吸收或释放电荷。

这种效应主要用于在高压电容器从电路中取出后为其充电 ——结果不愉快—— 但如果在真实电路中使用电容器，也可能导致一个看似高的漏电流，而这种电流会消失。

除非你有高级聚丙烯电容器，否则你得在测试机里放置几个小时才能测量。

电路测试：

当然，仅仅测试单个组件是不够的。整个系统必须在电源不完美的情况下正常工作：

一个用投币电池运行的设备，应该能在两伏电源下承受完整的1k电流。

...另外，模拟电池没电的情况也是个好主意：电池没电不应该导致硬件损坏或数据丢失。

温度会极大地影响漏电流。如果你预计元件温度会升到80摄氏度，可以买个热风枪，看看在那个温度下的表现。

实用建议：

在考虑任何元件之前，电路板本身会消耗电力吗？论坛上有很多人说不应该用焊锡罩，或者电路板上的助焊剂会导致泄漏......

测试时，我用了一块没什么特别的JLCPCB，绿色，FR4，两层板。它有两条四分之一毫米的线索，长30毫米，间距2.7毫米。

测量时，我用的是9伏偏压，应该代表最坏结果：

• 清洁：测试出厂时的主板

• 潮湿：呼吸几秒钟（相对湿度99%，无可见冷凝水）

• 手指：触摸以让皮肤油脂沾到板子上

• 松香：涂抹一些RMA助焊剂，用烙铁烧灼。

主要的问题是湿度。如果你设计的电路需要在户外工作，无论是水下还是地下，最好加入一些干燥剂：大多数塑料会让水蒸气渗透进去。

焊锡掩膜防止了线路间的显著泄漏，但组件引脚之间仍可能出现问题。贴身涂层能防止短时间曝光，但会存在渗透问题。

除非你做微安培计量，否则焊接残留物或皮肤油脂不是问题。

电容器：

电解电容或钽电容在几伏时可能泄漏多个微安电流：一颗100 uF 16V的果冻豆电解电容在9伏时拉取26 uA，这已经是CR2032目前预算的十倍！

仅这个电容就能让电池放电一两年。

陶瓷电容效果好很多：我从零件箱里随便拿了一个1 uF的电容，最初拉了几百纳安培，但两小时后降到了920 pA @ 9伏。即使有100个，也只能消耗92 nA，仅占预算的3%。

总结：不要用电解剂或钽剂。陶瓷电容器没问题在合理量内，且运行时电压远低于额定电压。

二极管：

二极管非常常用用于反极性保护，但有两种可能的配置：

串联二极管使用正向偏置二极管防止反向电流进入器件。并联二极管在损坏器件前加一个反向偏置二极管，以钳位反向电压。

串联配置中，电压降非常重要：

真实的二极管与理想模型有很大不同。 1N4148在1毫安电流和25摄氏度时的电压降仅为0.6伏。

电流与电压降的关系大致呈指数：对于硅PN二极管，电流是10倍需要额外100毫伏。

这也适用于反方向：只需要10 uA（峰值）的电路，二极管上大约只有0.4伏的降幅。

温度会影响这一点：每冷却一度二极管，阈值就会上升约2毫伏。在-40度时，室温下电压降会多出130毫伏。

肖特基二极管的阈值电压要低得多： 1毫安电流只需0.25伏。这对你的电压预算来说是极大的提升，虽然仍然是一个不小的数字。

在并联配置中，反向泄漏很重要。由于电压高度依赖，我测得了几个5伏的二极管，这更接近正常工作条件：

2N4148 [PN] @5V：2.3 nA

BAT46 [肖特基] @5V：2.4 uA

在这个测试中，肖特基表现不佳：它比类似的PN二极管差三个数量级。

所以，使用PN二极管对吧？如果电池能为短路（新投币电池）提供50毫安电流，器件两端可能有大约一伏的电压。这可能足以造成损害。那么，有什么好的反极性保护电路呢？

也可以采用n信道低侧切换版本

MOSFET可以作为近理想二极管：如果连接负极轨的栅极确实是最低电压，那么它就被打开了。如果电池插反，栅极电压在电路中最高，晶体管保持关闭状态。

不过，查阅数据手册或进行实验仍然很重要：电池电压可能不足以完全开启场效应晶体。即使是真正“开启”的MOSFET，也仍然存在电压降。

最后一个选择是什么都没有：存在一些物理上防止用户将电池反插入的电池夹。这些电阻除了接触电阻（相比电池本身几乎可以忽略不计外），没有电气损失。

肖特基泄漏对双电源电路也是一个问题。一微安培的回馈电流实际上可能足以损坏备用电池。

在这种情况下，你可能需要使用PN二极管或MOSFET的变体：把门连接到主供水轨。

由于晶体管本身的本体二极管，这至少能与硅二极管相当。一旦电源轨降到零，MOSFET的栅极会是负的，它会开启。不过，如果主导轨失电压需要超过一毫秒左右，性能就不会完美。

最好为PN二极管降落做好准备，并考虑多出电压，作为额外奖励。

计算机：

理论上，CMOS逻辑在闲置时不会耗电。实际上，确实如此。

8位AVR128DD28微控制器在休眠模式下耗电为1.5 uA。连接一个32KHz晶体并利用集成的RTC来提供唤醒，电流提升到1.8 uA。

这样平均电流就只有700 uA可用。

好吧，但处理器总得做点什么。每个时钟周期都有固定成本：对于AVR，我测量到的是~0.28纳安秒，这意味着电池有足够的电力支持3000亿次循环。

单个时钟周期运行在32 kHz运行的AVR128DA28上。

不过，使用慢时钟几乎总是个好主意：芯片每 MHz 会额外消耗 277 uA 电流。在默认的4 MHz时钟频率下，这大约超过一毫安。

电池不能保证能提供那样的功率。

解耦电容在这里救不了你： 1 mA足够用1伏/毫秒的速度耗尽一个相当大的1 uF电容器。（记住，不允许带电解剂。）

由于MCU的最低电压为1.8伏，电池最低可达两颗，这样运行只有200微秒/800个周期才安全！

然而，在32 kHz运行时，平均只耗用10微安培。每个时钟周期仍有电流脉冲，但足够小，导致1微法电容器电压下降0.27毫伏。

处理器运行时的电流比睡眠模式更静止。这就是为什么有人建议你应该用最大时钟频率来节省电...... 但虽然理论上更高效，但实际上无法与真实电池配合使用。

这也让我们能够计算它能持续多久： 10微安培是剩余700纳安预算的14倍，因此处理器可以运行7%的时间。

另外，在这个特定的MCU中，唤醒会产生一个大电流脉冲：

由于杂散电容，给处理器供电所需的时间整整是2.62纳安秒。使用1 uF电容时，这会耗尽2.62 mV。但像6.8 nF这样的小容量，可能放电整整385毫伏。

像这样的东西，我建议用大约微法拉德的量：一块额定为1 uF（MLCC）的陶瓷，在几倍电源电压下几乎不会漏油。

公平地说，数据手册确实推荐了这个数值，但很多人习惯使用更小的：当你有5伏电源时，损失三分之一伏并不算大问题。使用3伏但实际上是2伏的电池，足以让芯片的最低工作电压以下。

有些部件声称睡眠电流（纳安培级）要低得多，但这还不包括内存：大多数应用程序无法使用这些模式。

考虑一个数据记录器。由于闪存写入几字节或一千字节时消耗的功耗相同，能够缓冲读值实际上能节省电耗。

...不过，在某些应用中，这样的功能确实有意义：这是你必须考虑的，别再完全接受睡眠电流参数。