电池供电设备基础：电池类型、容量单位与放电特性
在TinyML推理的功耗预算（mA budget）规划中，电池不是简单的“电源符号”，而是整个系统能量约束的物理源头。一颗CR2032纽扣电池在脉冲放电时电压跌落可能超过0.4V，而一节18650锂电在同样负载下仅跌落几十毫伏——这种差异直接决定了MCU的最低工作电压、DC-DC/LDO选型以及推理任务的调度策略。本章从电池类型、容量单位、放电特性、电压平台与内阻五个维度，建立电池选型与功耗预算之间的量化桥梁。
2.1 电池类型与容量单位：从mAh到Wh的工程换算
电池选型的第一步是理解不同类型电池的电压平台与能量密度差异。锂离子电池（Li-ion/LiPo）标称电压3.7V，满充4.2V，截止电压约3.0V；纽扣电池（CR系列）标称3.0V，截止电压约2.0V；碱性干电池标称1.5V，截止电压约0.9V。这些电压平台直接决定了MCU的供电拓扑——如果MCU最低工作电压为1.8V，使用两节AA碱性电池（串联3.0V）可以直供，但使用单节锂电（3.0~4.2V）则需要LDO降压或DC-DC转换。
容量单位mAh（毫安时）表示电池在特定放电条件下可提供的电荷量，但工程上更应关注Wh（瓦时）——它综合了电压与电荷量，反映实际能量。例如：一颗CR2032（3V/220mAh）的能量为0.66Wh，而一颗18650锂电（3.7V/3000mAh）的能量为11.1Wh，两者相差近17倍。在TinyML设备中，如果平均功耗为1mA，CR2032理论上可工作220小时（约9天），但实际因自放电、脉冲压降和截止电压限制，有效工作时间可能缩短至150小时以下。
| 电池类型 | 标称电压 | 截止电压 | 典型容量 | 能量(Wh) | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| CR2032纽扣 | 3.0V | 2.0V | 220mAh | 0.66 | 低功耗传感器、BLE Beacon |
| AA碱性 | 1.5V | 0.9V | 2000mAh | 3.0 | 两节串联供电MCU |
| LiPo 单节 | 3.7V | 3.0V | 500~5000mAh | 1.85~18.5 | 可充电TinyML设备 |
| LiFePO4 | 3.2V | 2.5V | 1000mAh | 3.2 | 高脉冲电流场景 |
2.2 放电特性与内阻：脉冲负载下的电压跌落分析
电池的放电特性分为连续放电和脉冲放电两种模式。TinyML推理任务通常表现为短时高电流脉冲（如MCU在10ms内从睡眠模式唤醒，电流从5μA跳变到50mA），这种脉冲负载对电池内阻极为敏感。电池内阻R_bat并非固定值，它随SOC降低而增大，随温度降低而显著增大（0℃时内阻可能为25℃时的2~3倍）。
电压跌落公式为：V_drop = I_pulse × R_bat。例如，一颗CR2032在室温下内阻约15Ω，当推理脉冲电流为30mA时，瞬时压降达0.45V——电池端电压从3.0V跌至2.55V，如果MCU最低工作电压为2.5V，则系统可能复位。而18650锂电内阻仅约50mΩ，同样30mA脉冲压降仅1.5mV，几乎无影响。
某团队设计了一款使用CR2032供电的振动监测TinyML节点，MCU为nRF52840（工作电压1.8~3.6V），推理时峰值电流25mA，持续20ms。初始设计直接采用CR2032直供，实测发现：在电池电压3.0V时，推理脉冲导致电压跌至2.48V，MCU频繁复位。分析过程：
① 测量电池内阻：使用1kHz交流内阻仪测得CR2032内阻为18Ω；
② 计算压降：25mA × 18Ω = 0.45V，叠加电池本身从3.0V降至2.8V（SOC约50%），实际端电压2.35V；
③ 解决方案：在电池输出端并联100μF陶瓷电容+10Ω串联电阻（RC滤波），利用电容储能提供脉冲电流，将电池端压降降至0.1V以内；
④ 结果：系统稳定运行，但有效容量从220mAh降至约140mAh（因截止电压从2.0V提升至2.5V）。
复盘：脉冲负载下，电池的“有效容量”取决于截止电压与内阻的交互，而非标称容量。设计时应先测量电池内阻，再计算脉冲压降，最后决定是否需要储能电容或改用更高电压平台电池。
2.3 电压平台与系统功耗的耦合关系
电压平台不仅影响供电拓扑，还直接影响MCU的功耗特性。CMOS电路的动态功耗公式为P = C × V² × f，电压降低10%，功耗降低19%。因此，选择电压平台较低的电池（如1.8V供电）可以显著降低MCU的功耗，但代价是需要升压电路（Boost）或选择低电压MCU。反之，锂电3.7V平台虽然电压高，但可以通过DC-DC降压至1.8V，在降压过程中获得更高转换效率（90%以上），整体系统功耗反而更低。
内阻对系统功耗的影响还体现在DC-DC/LDO的输入电压范围上。LDO的压差（Dropout Voltage）通常为200~300mV，如果电池内阻过大导致输入电压跌至LDO最小输入以下，LDO将失去调节能力，输出电压随输入下降，MCU可能进入欠压复位。因此，在mA budget规划中，必须为电池内阻预留足够的电压裕量。
| 供电方案 | 电池类型 | 电压范围 | 转换效率 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| LDO直供 | CR2032 | 2.0~3.0V | ~80% | 低功耗、小电流 |
| DC-DC降压 | 锂电 | 3.0~4.2V → 1.8V | 90~95% | 高脉冲电流、TinyML推理 |
| Boost升压 | AA碱性×2 | 1.8~3.0V → 3.3V | 85~90% | 需要稳定3.3V的外设 |
| 直连（无转换） | LiFePO4 | 2.5~3.2V | 100% | MCU支持宽电压输入 |
2.4 常见误区与设计复盘
误区一：只看标称容量，忽略截止电压。许多工程师以mAh作为唯一选型指标，但实际可用容量取决于系统最低工作电压。例如，某设备使用CR2032，MCU最低电压2.0V，但传感器需要2.5V，则电池在2.5V时已无法驱动传感器，实际可用容量仅为标称的50%。
误区二：忽略温度对电池内阻的影响。在0℃环境下，CR2032内阻可能从15Ω升至40Ω，脉冲压降增大2.7倍。如果设备在户外冬季使用，必须按低温内阻重新计算压降，否则系统在低温下必然复位。
误区三：将电池视为理想电压源。电池的电压-容量曲线并非水平线，而是随放电逐渐下降。在mA budget规划中，应使用电池在50%SOC时的电压作为“典型工作点”，而非满充电压。
总结复盘：电池选型与mA budget规划是一个迭代过程。第一步，确定系统峰值电流与平均电流；第二步，根据峰值电流计算电池内阻压降，选择内阻足够低的电池；第三步，根据截止电压与系统最低工作电压，确定有效容量；第四步，评估温度范围，预留容量裕量。只有完成这四步，才能为TinyML推理任务建立可靠的功耗预算基线。