驱动未来 — 电池技术、替代电源和最大限度降低功耗

从消费者的角度来看，更加小型化的设备，实用性更强，耳机就是绝佳案例。耳机最初的样子又大又笨重，没办法随身携带。随着技术进步，耳机的尺寸越来越小，直到可以舒适地塞入耳中。如今，技术已经进步到可以生产入耳式无线耳机。

只是让元件变小，并不足以减小电子设备的尺寸，设备的能源也需要变小。这给我们提出了一道关于电源的难题：缩小电源尺寸会减少它能储存的能量。因此，电子设备设计人员经常要和现代电子设备玩猫捉老鼠的游戏，因为他们既需要缩小电源，同时还要降低设备能耗，以维持电池的工作时间。

那么，随着相关技术的不断发展，对于创建出更小型的设备，设计人员在未来可以抱有哪些期待，他们现在又能做些什么呢？

电池技术

虽然设计人员可以选择多种电池技术，但只有一种适用于小型便携式设备，那就是锂电池。目前的锂离子技术允许支持快充的高能量密度电池。这让锂电池的设计尺寸大大小于其他技术（碱性电池和铅酸电池）。然而，尺寸上的优势也伴随着代价。

锂离子

由于容易损坏，锂电池需要多重安全系统。发生损坏时，锂电池的破坏力极大。当锂电池被刺穿或损坏时，几乎一定会在电极之间形成内部短路。这会导致超大规模短路，进而产生氢气和热量。最终使电池膨胀，释放氢气并起火。火势足以毁坏附件的一切，并在其他电池中引起更大的火势。

固态

固态电池是一项处于研发阶段的新技术，可以非常轻松地取代目前的锂电池，后者使用液态电解质。顾名思义，固态电池完全由固体材料制成。这使得固态电池对于损坏和内部短路的抵抗能力更强。此外，研究人员认为固态电池更安全，能够储存更多能量，因此可以使用更小的电池组。

然而，固态电池并非没有缺陷。主要缺陷之一便是会形成内部枝晶。锂基固态电池容易在阳极形成小晶体，并向阴极生长（称为枝晶）。如果晶体与阴极接触，电池就会短路并停止工作。

超级电容器

超级电容器是未来可以为设备供电的另一个选项，因为它们能够在低电压下储存大量能量。不仅如此，超级电容器的充放电速度极快，非常适合需要快充功能的系统，或需要突然储存大量能量的系统（如再生制动系统）。

然而，超级电容器的问题是，这种技术无法像大多数其他电池技术那样储存同等规模的能量。因此，可能无法为大功率设备提供长期能量存储。此外，其放电速度快的特性也会引发可能因短路而产生火花的安全隐患。

替代能源

电池虽然可以储存能量，但在运行中产生能量则可以带来巨大帮助，因为设备操作人员不需要记得给设备充电，并且该技术可以远程安装，远离任何电源，并且提供更高的安全性。

太阳能

小型太阳能电池常见于计算器上，既能在日光下使用，也可以在办公室光线条件下使用。虽然无法为智能设备或笔记本电脑产生足够的电能，但却可以轻松使用它们为更小的设备供电，如物联网传感器和腕戴式运动手表。但从长远来看，并不能指望太阳能技术为任何需要 1 瓦以上能量的设备供电。

压缩氢气

压缩氢气可能是未来的另一种储能解决方案。如果氢气和氧气通过一种特殊的质子交换膜，便可以直接用来发电。这一过程十分高效，可以充分利用氢气提供的能量密度。然而，压缩氢气的储存，即使是在小型便携式设备中，也会引起类似于锂电池的安全隐患。此外，很难将此类燃料电池的尺寸压缩到最小，因此未来几十年内，可能都不会成为可行的电源。

热能

热能可以通过珀尔帖效应直接转化为电能。研究人员已经能够创造出有如戴在手指上的戒指一般大小的能源，利用空气和身体之间的温差便可以产生电能。然而，众所周知，珀耳帖发电机的效率很低，此类设备只有在温差很大（约 80℃）时才能实现高效运行。

辐射

另一种未来能源是辐射，研究人员已经设计出潜在的，能够直接将放射性衰变转化为电能的钻石电池。利用这种技术设计的电池可以做得很小，为几代人供电，并且不需要充电。然而，这种电源只能提供极少的能量（纳瓦）。此外，对于环境也是一种潜在危害。

降低能耗技术

对于希望制造出更小尺寸设备的设计人员而言，只能使用经过验证的电池技术，而这很可能意味着使用锂电池。然而，锂电池也并非一无是处，因为你可以采购到尺寸非常小的型号。重点是找到一种尽可能降低设备能耗的方法，从而延长电池的工作时间。

能量就是能量，完全独立于时间

设计人员需要了解的第一条规则是，能量与时间无关。设备可以在短时间内消耗大量能量，也可以在长时间内消耗非常少的能量。而从整体上来看，两种情况下，设备能耗可能完全相同。

通过识别设备何时需要运行以及何时不需要运行，可运用这一概念大幅降低设备能耗。例如，使用电池和无线网络连接的物联网设备可能只需要每 10 秒发送一次数据。如果是这种工况，则设备运行时间中的 9.9 秒可以在深度睡眠模式下实现，从而将能耗降至最低。因此，传输期间消耗的大量能量在用设备不使用的时间平均后，进而可以显著降低能耗。

降低时钟速度

许多与微控制器和微处理器打交道的设计人员，倾向于尽可能压榨每一个兆赫频率。虽然对于涉及大量数据的操作而言，这种做法可能是可行的，但在便携设备的设计中却是大忌，而降低时钟速度可以节省大量能耗。

降低基于 CMOS 的逻辑门上的时钟速度，有助于降低能耗的原因源于 CMOS 逻辑门的工作方式。在逻辑 1 或 0 期间，CMOS 几乎不产生能耗，因为 CMOS 门的输入是电容器，并且 CMOS 晶体管对（P 和 N）互补运行。这意味着在 1 或 0 状态期间，电源和接地之间没有路径（因此就不会产生能耗)。然而，在逻辑状态改变期间，在接地和电源之间会出现短暂的路径（当晶体管通过它们的线性区域时），而这给电源和接地之间提供了的路径。此时会产生能耗，留在这一区域的晶体管越多，能耗就越多。

因此，降低系统的时钟速度可以帮助降低能耗。但是，要明白时钟速度的降低意味着每秒执行的指令会变少，因此执行相同任务可能需要更多时间。而这又回到了之前的能耗问题：你的能耗可能更少，但是仍然需要同样多的能量来完成一个任务。

定制硅能否打破这一局面?

定制硅和小晶片是一项可以为未来设备提供主要节能选项的技术。现成电子产品的最大缺点是芯片上经常有大量外部设备没有物尽其用，并且产生不必要的能耗。这可能包括不需要的指令、支持未使用总线的外设，以及最终设计中不需要的通用电路。

虽然许多微控制器制造商提供关闭这些区域以降低功耗的选项，但宝贵的硅空间仍被不必要的硬件占据，导致设计效率降低。然而，定制硅设备让设计人员能够选择设计中所需的确切硬件，这样做既可以显著减小芯片尺寸，也可以充分利用硅空间。

创建定制设计可以通过多种方式完成，包括设计实际的硅本身（专用集成电路），或者挑选预先设计好的芯片并将其安装到单个封装中。更有可能采用预制硅裸片，因为它们更容易制造和组装，成本也更低。

结语

便携式设备虽然有许多电源选项，但只有少数几项可提供可靠的技术方案。随着电子器件的体积越来越小，能耗需求也随之下降（晶体管越小，能耗越低）。然而，晶体管数量的增加却使整体能耗升高。

因此，设计人员可能更依赖节能技术，如降低时钟频率和移除不需要的硬件。此外，未来可能会看到电子产品向定制设备方向发展，即整个电路可以构建在一个封装上，而不需要外部组件或零件，这样可以像印刷电路板一样采购此类设备。