标签: 电池寿命

如何充分延长电池寿命？这些电源设计要素你要掌握！ 远程患者监护仪(RPM)在不断发展，包含的功能越来越多，使医生能够更深入地了解患者的健康状况。这些功能对为监护仪供电的单体电池提出了更高要求。本文为ECG（心电图）远程患者监测贴片提供了一个电源解决方案，旨在延长电池寿命，充分发挥监测作用。本文还介绍了准确估计RPM电池寿命的策略，以及在RPM通电之前延长电池寿命的方法。 【导读】远程患者监护仪(RPM)在不断发展，包含的功能越来越多，使医生能够更深入地了解患者的健康状况。这些功能对为监护仪供电的单体电池提出了更高要求。本文为ECG（心电图）远程患者监测贴片提供了一个电源解决方案，旨在延长电池寿命，充分发挥监测作用。本文还介绍了准确估计RPM电池寿命的策略，以及在RPM通电之前延长电池寿命的方法。 物联网(IoT)革命使医疗机构利用科技为患者提供实时护理的方式发生了范式转变。如今，远程患者监测就是这种新型医疗设备改变医生与患者互动方式的其中一个领域。更小的 集成电路 和无线通信使几十年前的旧设备得以更新，功能得以增强，从而提高患者的依从性和疗效。目前的远程患者监测贴片取代了过去笨重的Holter设备，贴片中包含各种 传感器 ，能够收集心率、温度和 加速计 数据。这些贴片将患者数据传输到云端，患者和医生都可以实时访问数据。 虽然这些设备有助于医生提升护理能力，但也给电源设计人员带来了挑战，他们必须平衡兼顾系统性能与电池寿命要求。随着第二代贴片采用多模态传感来提高精度和有效性，这些挑战进一步加大，进而对电源也提出更高的要求。 在本文中，我们将参考图1所示的ECG RPM贴片示例。该贴片可连续监测ECG和加速计，同时每15分钟检查一次温度。数据通过低能耗蓝牙®(BLE)每2小时传输一次，每天总共进行12次BLE传输。该贴片有三种不同的模式，每种模式都有不同的负载模式：标准监测、温度监测和传输模式。在标准监测模式下，仅监控ECG和加速计。在温度监测模式下，还要监测另一个 温度传感器 。在传输模式下，BLE无线电在同时监测ECG和加速计数据的同时传输数据。 图1. ECG贴片电源原理图。用一个235 mAh的CR2032纽扣锂电池为稳压器、 微控制器 、ECG前端、温度传感器和加速度计供电。 电源挑战 设计RPM，比如ECG贴片，对电源设计人员来说是一个多方面的挑战。设计通常受到空间方面的限制，带有多个传感器的贴片可能需要多个电源导轨。由于RPM贴片通常是一次性使用产品，因此设计人员一般会选择 纽扣电池 这种经济高效的电源。如果仅使用纽扣电池为贴片供电，设计人员还必须考虑电源子系统的效率。 电源设计人员经常会忽视的一个挑战是如何延长产品的保质期。关断电流和电池自放电会缩短任何系统的寿命。因此，设计人员必须明确RPM贴片在典型的保质期之后能否满足运行时间要求，如果不能，在贴片到达最终用户手中之前，可以采取哪些措施来保持电池寿命。 确定电池运行时间 为了准确确定电源解决方案是否符合电池寿命要求，必须确定负载曲线。负载曲线是系统负载占空比的简单表示。对于我们使用的远程患者监测贴片，我们将考虑之前介绍的三种不同的工作模式：标准监测、温度监测和传输模式。 为了准确确定电源解决方案是否符合电池寿命要求，必须确定负载曲线。负载曲线是系统负载占空比的简单表示。对于我们使用的远程患者监测贴片，我们将考虑之前介绍的三种不同的工作模式：标准监测、温度监测和传输模式。 要进行负载曲线分析，需使用一天中每种工作模式的时间段来确定占空比计算值。使用公式1： 可为我们得出贴片的占空比，如表1所示。 表1. 贴片在不同工作模式下的占空比 利用图2中的负载曲线，我们可以计算出贴片的电流消耗。取每种工作模式下的有效电流消耗，通过公式2可以计算出每天的平均电流消耗近似值。 图2. 负载曲线图。 下面是一个计算示例： 标准监测模式每天的电流 = 标准监测模式电流×标准监测模式占空比×24小时 标准监测模式电流 = 1.88 mA标准监测模式占空比 = 0.9956 标准监测模式每天的电流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小时 = 44.92 mAh/天 一旦确定每种工作模式的每日电流消耗，就可以通过公式3确定电池的使用寿命。 下面是一个计算示例： 电池容量 = 235 mAh 标准监测模式每天的电流 = 44.92 mAh/天 温度监测模式每天的电流 = 0.01 mAh/天 传输模式每天的电流 = 0.79 mAh/天 电池寿命（天）= 235 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.14天 这些计算结果表明，该器件将满足5天的工作时间要求，电池寿命超过5.1天。然而，这个结果具有欺骗性，因为没有考虑系统的保质期。在医疗器械行业，最好是设计14个月的保质期（货架期12个月，运输期两个月）。 保质期的考虑因素 将系统中设备的关断电流相加，同时使用CR2032电池每年1%到2%的典型自放电率，可以看出，14个月后，电池的容量不足以支持5天的工作时间，需要进行电池密封。 表2. 14个月后的电池容量 在货架上放置14个月后，电池容量将显著减少。当CR2032闲置在货架上时，近40%的能量将通过关断电流和电池自泄漏消耗掉。将这个电池容量代入公式3，可以得出更准确的运行时间： 电池寿命（天）= 146.66 mAh/（标准监测模式+温度监测模式+传输模式） 电池寿命（天）= 146.66 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 3.21天 上架时间超过一年，电池容量会受到电池自放电和系统关断电流的影响。电池自放电与电池的化学性质和环境有关。CR2032电池的化学成分是锂锰，每年的自放电率为1%至2%。一年后，纽扣电池在休眠状态下可能会损失2%的容量。对比之下，BR2032电池的化学成分是锂-氟化碳聚合物，每年的自放电率为0.3%。我们通常会认为，最适合应用的电池化学成分是放电率最低的，但事实并非如此。虽然BR2032电池的放电率较低，但其容量也比200 mAh的CR2032电池低。使用前面的公式重新计算，可以确定这样的低容量电池的电量是否足够。 在这个ECG贴片中，当系统断电时，IC关断电流是减少电池寿命的最大因素。当IC被禁用且无有效负载时，会产生关断电流。这些电流通常是由于IC中漏电和IC内的ESD保护装置造成的，即使在没有负载的情况下也会消耗少量的电流。这些电流通常很小（低于1μA），但对电池寿命却有很大的影响。在这个RPM贴片中，关断电流在一年内可使电池容量减少多达40%。使用电池密封可限制系统在关断时从电池中吸取过多的电流。 电池密封通常采用两种方式：聚酯 薄膜 拉片形式的机械电池密封，以及 负载开关 形式的电气电池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一种机械电池密封，其中塑料拉片位于电池和系统之间。当准备使用设备时，用户只需拔出塑料片，电池就开始为系统供电。这是一种简单、低成本、成熟的电池机械密封，已经使用了很多年。然而，对于医疗设备来说，这种解决方案并不是始终可行的。对于需要防水的ECG贴片来说，聚酯薄膜突出的槽会使贴片容易被水损坏。此外，对于不够灵巧的终端用户来说，这种小的塑料薄片可能不太好用。 简单的负载开关，如 Vishay SiP32341，是电气电池密封的一个不错的选择。该器件是一个场效应晶体管，开启时，可将电池与系统的其它部分隔开，使SiP32341的关断电流成为电池上唯一的消耗电流。负载开关有一条逻辑控制线，当准备使用设备时，可以通过按钮接通。SiP32341的关断电流一般为14 pA，与没有电池密封时整个系统的电流消耗相比，采用电池密封有显著改善。如果使用SiP32341作为电池 密封件 ，CR2032原电池在14个月内可保持99.97%的容量。如果不用电池密封件来保护电池免受ECG贴片关断电流的影响，那么CR2032原电池只能保持62.39%的原始电量。消除这37%的容量差异，就可以使ECG贴片在14个月的保质期以后仍能满足5天的寿命要求。 表3. 使用电池密封件14个月后的电池容量 电池密封件通过防止系统中的所有设备消耗电池关断电流，从而保持电池容量。在RPM贴片闲置14个月后，剩余电池容量还保持在99.9%以上。 将这个电池容量代入公式3，可以得出更准确的运行时间： 电池寿命（天）= 230.25 mAh/（标准监测模式+温度监测模式+传输模式） 电池寿命（天）= 230.25 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.04天 买电子元器件现货上唯样商城 结论 在系统处于活动状态和关机/低功耗模式时进行电池分析，对于设计能满足医疗设备所有要求的电源至关重要。虽然本文专门讨论了通过BLE通信收集心率、温度和加速度数据的ECG贴片，但文中的分析和原理也可应用于由原电池供电的任何数量的医疗设备系统。

电池技术 的创新并不像其它技术优势那样迅速。每隔十年，电池容量就会增加一倍，同时市场对于电池工艺的要求也越来越高，这给电池开发人员带来了许多艰巨的挑战。电池开发人员在设计电池供电系统时经常会发现，虽然系统硬件的效率提高了，但电池的功耗却往往比预期高出很多。实际上，在优化嵌入式系统时，硬件只是必须考虑的因素之一，另一个不可或缺的因素则是软件。 如果电池开发人员希望电池发挥最佳性能，可以通过管理 微控制器 (MCU) 软件的方法来解决。在着手开始之前，不妨先参考以下技巧： 尽可能增加MCU待机时间 —MCU在待机模式下的电流通常比激活模式要低几个数量级。这是由于MCU在等待状况下，非必要外设和系统模块会进行电源门控。 巧用中断来控制程序流 —这个技巧关系着代码的执行效率。在MCU中，每执行一行代码都会消耗时钟周期，这反过来会影响系统电池的使用寿命。但如果合理使用中断，就可以根据系统状态来确定执行哪一部分代码，从而做出智能化的决定。 用外设硬件替代软件函数 —电池系统软件在执行加密等安全函数时，通常需要执行成千上万条代码。但如果采用TI的低功耗MSP MCU，就可以使系统在执行128位加密函数时将时钟周期从6600个减少到168个。这是因为这款MCU包含了硬件模块。此外，如硬件乘法器等TI的一些简单模块能够大大简化数学函数，也可以帮助实现类似的功能。 管理MCU内部外设的功耗 —即使处于非待机模式，也应该关闭不必要的外设以降低功耗。 管理MUC外部器件的功耗 —在需要尽可能延长电池的使用寿命时，除了关闭非必要的MCU内部组件，还可使用系统中的MCU来打开或关闭外部器件。 谨慎选择MCU器件类型 —需注意的是，不同MCU的功能千差万别。同时，在激活和待机两种模式下，不同应用对MCU的需求也会相应发生变化。因此，工程师在设计电池系统时，应该选择针工作周期优化的MCU。此外还需注意，对于那些频繁在激活与待机模式间切换的应用，唤醒系统所需的时间也是一个非常重要的因素。 总之，高效软件绝对是确保电池使用寿命最大化的“必杀技”。上述技巧和窍门可以帮助电池开发人员设计高效软件。

引言 D类升压放大器驱动扬声器的电压高于供电电压，由于可以用单节锂离子(Li+)电池供电就能实现较高性能的音频，这类放大器应用广泛。然而，大多数D类升压放大器并不为用户提供内部升压后的电压，这就使复用扬声器难以利用常见的模拟开关实现多路音频源。本文中，我们讨论如何利用摆幅电容电荷泵使模拟开关能连接这些信号，而无需附加外部电路。 摆幅电容电荷泵 我们首先从摆幅升压电容的基础电路开始讨论，该技术早已被用于产生高于电源的电压，以及提供负电源。只要每次加一点点的力量，即使小朋友也能让秋千荡得很高。摆幅升压电容(这里指电荷泵)电源的原理与此类似。 图1. 小朋友在院子里玩秋千时，添加的能量，使他们的小伙伴荡的越来越高。 现在，请观察图2，我们假设V CC 为5V。明白这点之后，我们就能明白简单的两级摆幅电容电荷泵的工作原理。首先，通过图中所示顶部的两个开关将C1充电至V CC 。然后，将顶部的两个开关置于与图2所示相反的位置。现在，C1的负端连接至V CC ，正端连接至C3+和V+。第一级C1中储存的电压(+5V)叠加至V CC (+5V)，在V+上产生+10V电压。 另外一个摆幅电容C2用于产生负电源V - 。将C2两侧的两个开关置于与图2所示相反的位置。C2的正端连接至V+，负端连接至地。然后切换C2各端的开关，因此将C2的正端接地，将负端连接至C4和V - ，以形成负电源。 图2. 利用摆幅电容电荷泵转换电压。 摆幅电容电荷泵极成功地被用于计算机的串行通信系统。RS-232(现称之为EIA/TIA-232)标准颁布于1962年，现在仍通用，并且已经被许多工业应用所采用2。RS-232标准要求信号摆幅至少为±5V，早期集成电路RS-232收发器的工作电源为±12V至±15V。上世纪80年代中期，Maxim Integrated Products推出了使用摆幅电容电荷泵的IC，与图2所示类似。器件允许利用单端+5V电源实现全部功能RS-232通信。早期的MAX232仍然在产，并且自始至终是销售最好的器件之一。 由于那些早期工业通用电源现在已经降至3V或更低，电池供电的便携式设备大量涌现，其工作电压低至1.8V。随着情况的变化，升压电源的需求几乎已经消失。同时，由于多个串联电荷泵在高功率应用中的效率较低，所以开发出不同的技术来支持这些应用。在这些领域中，电感电源使得高效率升压调节器成为可能。虽然基于电感的调节器已经大量取代要求大功率应用中的摆幅电容电荷泵，但摆幅电容电荷泵仍被许多领域应用。 【分页导航】 第1页： 摆幅电容电荷泵 第2页： 音频升压电源，节省功耗使用时间更长 第3页： 使用隐形(集成)方案 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 音频升压电源，节省功耗、使用时间更长 D类升压音频放大器能利用低压源，例如单节锂离子(Li+)电池，提供高质量的音频信号，所以在手持式系统中应用广泛。例如，当手机被用作便携式媒体播放器或免提电话时，AB类放大器不能提供所需的清晰度和音量。所以，D类升压放大器就取而代之。然而，当手机仅仅用作电话听筒时，AB类放大器则提供很好的性能，同时节省功耗。因此，设计者需要一种途径能够在电话听筒类应用中节省功耗，同时也支持免提电话或媒体播放器应用中的大音量。这种复杂的挑战使得多路音频源复用单个扬声器就非常具有吸引力。 D类升压放大器无需PCB上的大空间，即可提供大音量。然而，在将升压放大器复用至扬声器时，问题出现了。根据设计，D类升压放大器输出的音频信号高于电源电压，但通常模拟开关的信号需限制其在电源轨之内。所以，许多现代化的模拟开关增加了能够传输负电源以下信号的能力。虽然如此，这仍然给D类放大器的升压信号带来了问题，因为不能传输高于正电源的信号。为D类放大器供电的内部升压电源通常不用于为外部设备供电；此外，即使能够为外部设备供电，也只有放大器打开时才有。所以使用这样的电源不太现实，因为当其它放大器正在工作时它可能没有。因此，如果没有附加电路，扬声器复用的应用中就难以使用普通模拟开关。解决这一问题的途径有多种，我们将逐一总结其优缺点。 提高供电电压？ 在有些情况下，直接利用D类升压放大器输出的升压电压好像很有优势。但是，如上所述，当D类升压放大器关闭时，给模拟开关的升压电压就没有了。因此，设计者必须寻求另一种途径为模拟开关供电。这就意味着系统必须多设计一个 “或”电路，利用不同的源为开关供电， 它取决于那个放大器正在工作。貌似非常合理，但“或”电路实现这个功能将消耗附加空间和功耗。在空间和功耗是主要设计约束条件的系统中，这种处理是不可取的。 另一种解决方案，虽然不常见，是使用外部升压电源（电感或电荷泵的方法外都行）为电路供电。增加升压电源意味着增加一堆的外部元件(例如IC/二极管/电容/FET/电感)。不可否认，这解决了问题，但是缺点显而易见。首先，在追求体积小的大多数现代应用中这种增加的元件的解决方法是不可接受的，不会采纳的。另外，即使高效率的升压转换器所带来的功率损耗，也是用电池供电系统不可承受的。 将音频电平转换至可接受的范围？ 音频应用中使用的许多模拟开关支持负电压。所以，常见的实现方案是转换信号的直流偏置电压，直到信号下降至开关可接收的电压范围。最常见的方法就是用隔直法。该方法是工程师在模拟开关的输入端放置隔直电容。这种方法至少存在三个问题。 首先，电容使本已空间紧张的应用增加了元件。此外，增加的电容值需要足够大，以保证构成的高通滤波器的截止频率尽量的低。此时，负载是扬声器，而不是相当高阻抗的放大器输入。这进一步增大了维持音质所需的电容尺寸。 第二个问题实际上加剧了第一个问题。由于电压系数的原因，增加的隔直电容会带来低频的相位失真。电压系数表示电容值随电容电压变化的程度。由于电容的阻抗在低频时较高，会在电容的两端形成一个电压，从而使电容降低至额定值以下。随着频率增大，电容也增大。电容变化也造成比滤波器的-3dB点高达10倍的频率下的失真。因此，为保证失真在音频范围之外，电容应足够大，使截止频率低至2Hz。此外，所选电容的电压系数应较低，该项要求通常将小型封装电容排除在外，例如陶瓷电容。所以，最常用的是钽电容或电解电容，以降低电压系数。 最后，诸如等效串联电阻(ESR)的非线性等因素也会引入失真。ESR非线性与频率有关，有些情况下由于阻抗增大而限制了提供给扬声器的功率。 总而言之，此处讨论的隔直方法解决了问题，但要求在成本、音质及空间方面做出妥协。 【分页导航】 第1页： 摆幅电容电荷泵 第2页： 音频升压电源，节省功耗使用时间更长 第3页： 使用隐形(集成)方案 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 使用隐形(集成)方案 典型D类升压放大器采用低至2.5V的电池电压，产生5.5V的输出电压。这很好，但现在的问题是不使用占用空间的分立式元件，如何能在音频放大器之间切换？图3所示为解决这一问题的“隐形”方案，更准确地说，是集成方案。该方案是一种超小尺寸的双刀双掷(DPDT)模拟开关，允许升压信号通过，无需附加外部电路。我们称之为隐形方案是因为该DPDT开关所需的一切都集成在1.2mm x 1.2mm、9焊球晶原级封装(WLP)内，非常类似于利用电荷泵来避免使用高压外部电源的MAX232。集成了所有必需的电荷泵。由于电荷泵只需要驱动开关内部的门电路，所以甚至不需要外部电容。该集成技术允许高达±5.5V的信号通过，失真超小，而器件电源电压可低至+1.6V。实际上，这种复杂的技术对于设计者或用户是不可见的。 图3. 典型音频配置的“隐形”集成方案。 由于该方案能传输信号电平超出电源上下轨电压，无需隔直电容或外部升压电源。实际上，利用MAX14689 DPDT模拟开关实现多路复用扬声器，无需附加外部电路，即可为音频系统供电。该方法将节省可观的空间。此外，无需隔直电容,信号直接通过,避免了隔直电容所占的空间和导致失真。 最后，开关为“先开后合”式，确保几个音频放大器不会短路在一起。与其它常见方法相比，开关式保证系统的音质，同时减少空间需求。利用低至2.5V的电源供电时，开关的低(0.25Ω，典型值)导通电阻(R ON )允许将功率高效率传输至扬声器，并具有低THD+N。 结论 D类升压放大器大大提高了音质，所以在电池供电音频系统中尤其具有优势。但是，这些放大器的功耗较高，所以始终打开的情况下在这类系统并不具有优势。同时，几个不同音频系统复用单个扬声器具有诸多优点。所以，典型模拟开关不能传输高于或低于其电源摆幅范围的问题亟待解决。传统方法具有许多不利影响，而本文介绍的方案简单、节省空间、保证音质。 【分页导航】 第1页： 摆幅电容电荷泵 第2页： 音频升压电源，节省功耗使用时间更长 第3页： 使用隐形(集成)方案 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

关于手机电池那些无谓的忠告和伪知识！   1）前X次要充电X小时以上！ 常见说法是“电池前三次充电是要充满12小时的” 的说法。 ——这是镍镉电池时代的论调，现在已经是“锂电池”的天下了。锂电池充电就像给杯子倒水，满了就OK，不必在意时间。   2）要防止过度充电，否则影响电池寿命！ ——这让的确人很焦虑，生怕充电满格后忘记拔下，充电一会儿就跑去看一下。 ——的确过度充电会影响电池寿命，但不必手动去拔插销。手机内置的“锂电池管理IC”，在充电满格后，会自动停止充电。 3）“剩余XX%电量就要充电，否则影响寿命” ——没有的事，什么时候都可以充电的。 4）“一定要全部用完才可以充电，否则电池会不耐用” ——锂电池没有记忆效应，不必全部用完电量再充。 5）“电池医生，能充满，能省电，还能延长电池寿命……” ——她显示的那些数字，包括“充电要XX时间”，剩余“XX%电量”、“可用XX小时”，呵呵，不要太在意，仅供参考而已。 “充电要XX时间”以及“剩余XX%电量”，这两个数字是否准确，完全取决于手机使用的“锂电池管理IC”的品质，也就是说，在A手机上的数字可能是准确的，而在B手机上的数字误差可能很大。至于“可用XX小时”，笑笑过过吧，它怎么可能知道我接下来将怎么折腾我的手机呢？先知啊？ 末了，给大家讲一些手机电池相关的只是，明白了这个，就不会被各种“注意事项”搞得各种不淡定了。   而在“锂电池管理IC”里通常含了 过充电保护，过放电保护，短路保护，过电流保护 等功能。所以，我们就不用担心什么了，插上插座该干嘛干嘛去吧！ 原文来自新浪微博@工程师style

 一般情况下，锂离子电池是使用由石墨制成的阳极来存储电荷，但是6个碳原子才能结合一个锂离子，能源密度非常低。但是，如果使用硅原子的话，情况就大有不同了，一个硅原子可以同四个锂离子结合，可将能源密度提升10倍。   多年以来，科学家们就一直在努力通过用硅替代石墨来提升锂电池容量，问题是，经过几次充电和放电周期后，硅结构会破坏瓦解掉，使电池失效。 现据国外媒体报道，一组来自斯坦福大学的科学家已经找到了该问题的解决方案：经过巧妙设计的双壁纳米结构可以将充电/放电周期延长6000多次之后，还能剩余85%的容量，充分满足了电动汽车或者移动电子设备的需求。 另外，该科研小组还表示，目前他们的首要任务是简化双壁硅纳米管的生产程序，并研发出一种能与新阳极结合的高性能负极，使最终生产出的电池寿命或者性能都获得5倍提升。