📚 课程目录第2章低功耗需求分析与指标定义

2. 低功耗需求分析与指标定义

低功耗设计的第一步不是选芯片、调寄存器，而是把“要活多久”翻译成“允许耗多少电”。如果需求只写“电池要耐用”，硬件选型和固件策略都无从下手；只有把续航时间、平均电流、峰值电流、占空比、电池容量与自放电统一到同一套换算关系里，才能得到可验证、可分配、可验收的指标。本节围绕这套换算方法展开，并给出可直接用于项目的计算模板。

一、先定义参照系：电流、时间与容量的统一口径

工程换算中最容易出错的是单位与参照方向。本课程统一约定：电流以 mA 为单位，时间以 h（小时）为单位，容量以 mAh 为单位；放电电流为正，充电电流为负；平均电流指一个完整工作周期内的等效放电电流。所有公式与图示均遵循这一约定，切换参照系时必须显式说明。

核心关系只有一条：容量 = 电流 × 时间。由此可推出三个常用变形：

续航时间 T(h) = 可用容量 C_usable(mAh) ÷ 平均电流 I_avg(mA)
平均电流 I_avg = 各状态电流按时间占比的加权和
可用容量 C_usable = 标称容量 × 有效放电系数 × 温度/老化修正

二、占空比：把“一会儿醒、一会儿睡”折算成平均电流

低功耗终端几乎都工作在周期性状态里：采集、处理、发射、休眠循环往复。设一个周期为 T_cycle，其中第 i 个状态持续 t_i、电流为 I_i，则该状态占空比 D_i = t_i / T_cycle，平均电流为：

I_avg = Σ ( I_i × D_i )
      = I_sleep×D_sleep + I_mcu×D_mcu + I_tx×D_tx + I_sensor×D_sensor

举例（示例参数，非实测）：某环境监测终端每 60 s 上报一次，周期 T_cycle=60 s。休眠 58.2 s、电流 0.008 mA；MCU 唤醒采集 1.5 s、电流 4 mA；传感器 1.5 s、电流 0.6 mA；无线发射 0.3 s、电流 28 mA。则：

D_sleep = 58.2/60 = 0.970
D_mcu   = 1.5/60  = 0.025
D_sensor= 1.5/60  = 0.025
D_tx    = 0.3/60  = 0.005

I_avg = 0.008×0.970 + 4×0.025 + 0.6×0.025 + 28×0.005
      = 0.00776 + 0.100 + 0.015 + 0.140
      ≈ 0.263 mA

可以看到，虽然发射电流高达 28 mA，但因占空比只有 0.5%，它对平均电流的贡献是 0.140 mA，与 MCU 的 0.100 mA 相当。这说明平均电流由“电流大小 × 持续时间”共同决定，不能只盯峰值。

三、峰值电流：决定电源与储能能否撑住瞬时负载

平均电流决定续航，峰值电流决定系统能否正常工作。峰值电流 I_peak 主要影响三件事：电池能否瞬时输出、去耦/储能电容是否足够、LDO 或 DC-DC 是否进入限流。对脉冲负载，可用能量守恒估算所需储能电容：

C ≥ I_peak × t_pulse / ΔV
其中 ΔV 为允许的电压跌落

示例：发射脉冲 28 mA、持续 0.3 s、允许跌落 0.2 V，则 C ≥ 28 mA×0.3 s/0.2 V = 42 mF。这个量级通常需要超级电容或大容量钽电容配合，而不是单靠 10 µF 陶瓷电容。若电池本身能承受脉冲，则可用电池内阻与脉冲电流估算压降：ΔV = I_peak × R_internal，例如 28 mA×15 Ω ≈ 0.42 V，需核对是否低于系统欠压阈值。

四、电池容量与自放电：把“标称”变成“可用”

电池标称容量不等于可用容量。可用容量需扣除三类损失：有效放电区间（截止电压以上）、温度衰减、老化衰减，再叠加自放电。工程上常用：

C_usable = C_nominal × k_dod × k_temp × k_age
T(h) = C_usable / ( I_avg + I_self )
I_self = C_nominal × self_discharge_rate(%/月) / (30×24)

示例：标称 2000 mAh 锂亚电池，有效放电系数 0.9、低温系数 0.85、老化系数 0.95，自放电 1%/月。则 C_usable ≈ 2000×0.9×0.85×0.95 ≈ 1453.5 mAh；I_self = 2000×0.01/(720) ≈ 0.0278 mA。若 I_avg=0.263 mA，则总等效电流约 0.291 mA，续航 T ≈ 1453.5/0.291 ≈ 4995 h ≈ 208 天。若目标为 2 年（17520 h），则允许平均电流约 1453.5/17520 ≈ 0.083 mA，说明当前方案需把平均电流再降约 3.5 倍，或提高电池容量。

五、把指标写成可验收的需求

换算完成后，需求应写成“条件 + 数值 + 判据”的形式，而不是模糊描述。例如：

指标	定义	示例目标值	验证方式
平均电流	一个上报周期内的等效放电电流	≤ 0.083 mA	电流表长时间积分或功耗分析仪
峰值电流	发射瞬间最大瞬时电流	≤ 30 mA	示波器+采样电阻
占空比	各状态持续时间/周期	发射 ≤ 0.5%	GPIO 翻转+逻辑分析仪
续航时间	可用容量/总等效电流	≥ 2 年	按 C_usable 与 I_avg 计算
电池自放电	月自放电折算的等效电流	≤ 0.03 mA	电池手册+温度修正

工程提示：当续航不达标时，优先检查占空比最大的状态，而不是电流最大的状态。多数情况下，把休眠电流从 8 µA 降到 2 µA，或把唤醒时间从 1.5 s 压到 0.5 s，比优化发射电流更有效。

注意：自放电、温度系数、老化系数均随电池体系和使用环境变化，示例中的 0.9/0.85/0.95 与 1%/月仅用于演示换算方法，实际项目应以电池规格书和实测数据为准，并保留至少 20% 的设计余量。

把上述换算链固定为项目模板后，每次需求变更只需替换占空比、电流和电池参数，即可快速判断方案是否可行，也能把总指标分解到 MCU、传感器、无线和电源各模块，形成可追踪的低功耗设计基线。