电池与能量预算：mAh 和 Wh 怎么换算，如何从续航目标倒推芯片功耗

更新时间：2026-09-15。本文是「集成电路大类 · 低功耗设计与验证」入门层系统篇第 12 篇。上一篇分清了能量与功率，这一篇把它落到电池产品最实际的问题上：给定一块电池、要求续航多久，芯片平均最多能耗多少电。这是低功耗需求从「尽量省」变成「有数字约束」的关键一步。能量/功率区别见《能量与功率》，背景见低功耗导读。

本文要回答的问题

• 电池标的 mAh 和 Wh 分别是什么？为什么跨电池比大小要看 Wh？
• 标称电压在换算里起什么作用？为什么不能把 mAh 直接当能量？
• 怎么从「要续航 N 天」反推出允许的平均电流和平均功耗？
• 为什么对低占空比产品，睡眠态电流往往比工作电流更要命？
• 老化、低温、转换效率这些「折扣」怎么打进预算？

一、mAh 是电荷量，Wh 才是能量

• mAh（毫安时）：电荷量/容量单位，说的是「以多少电流能放多久」。1 Ah = 1000 mAh，表示用 1 A 电流能放 1 小时的电荷。它不含电压信息，所以严格说不是能量。
• Wh（瓦时）：真正的能量，能量(Wh) = 容量(Ah) × 标称电压(V)。1 Wh = 3600 J。

为什么必须看 Wh？因为不同电池电压不同：一块 3.7V、1000mAh 的锂聚合物电池，能量是 1.0 Ah × 3.7 V = 3.7 Wh；两块 1.5V、1000mAh 的碱性 AAA 串联成 3V，标称能量约 1.0 × 3 = 3 Wh。mAh 相同、电压不同，能做的电功（Wh）不同。同一体系内电压相近时，行业图省事常直接比 mAh；跨体系（纽扣 3V、锂电 3.7V、两节干电池 3V）务必换算到 Wh。

电池还有个常被忽略的点：可用容量不等于标称容量。放电到「空」其实是放到某个截止电压（cut-off），且以下因素让你用不满标称值：

折减因素	影响
老化/循环次数	容量随充放次数衰减，设计常按 70%~80% 寿命终点容量做预算
低温	锂电低温可用容量明显下降，可放出的电荷变少、内阻变大
放电倍率	大电流放电时电池发热、效率下降，有效容量缩水
截止电压 + 转换效率	电池能量要经 DC-DC/LDO 才能给芯片，转换器有效率损耗

工程上用一个**可用比例 k_use（如 0.6~0.85）**统一打折：可用能量 = 标称 Wh × k_use。

二、核心公式：从续航目标反推平均预算

链路只有三步：

可用能量 E_use = 容量(Ah) × 标称电压(V) × k_use        (Wh)
目标小时数 T   = 续航天数 × 24                            (h)
允许平均功率   P_avg = E_use / T                          (W)
允许平均电流   I_avg = 容量(Ah) × k_use / T               (A)

注意 P_avg 是整机对电池索取的平均功率；芯片本身的功耗预算还要扣除显示屏、传感器、LED、DC-DC 损耗等其余部分。这正是《为什么要拼低功耗》里电池账目的量化落点。

三、算例：一颗纽扣电池要撑一年

用可核验的取整算例走一遍。某可穿戴/传感标签，电池为 CR2032 纽扣电池：标称 220 mAh、3.0V，保守取 k_use = 0.7（小电池对脉冲电流、低温、自放电更敏感）。续航目标 365 天。

可用容量 = 0.220 Ah × 0.7            = 0.154 Ah
目标小时 T = 365 × 24                = 8760 h
允许平均电流 I_avg = 0.154 / 8760    ≈ 17.6 µA
允许平均功率 P_avg = I_avg × 3.0V    ≈ 52.8 µW

整机平均电流必须压在约 18 µA 以下、平均功率约 53 µW，纽扣电池才能撑一年。这个量级立刻告诉你：不能让 MCU 常开，必须事件驱动、绝大多数时间深睡。

再按占空比拆账。假设设备每天醒来采集+发射一次，工作电流 I_run = 10 mA，每次 50 ms，每天 1 次；其余时间深睡：

每天工作电荷 = 0.010 A × 0.050 s = 0.0005 A·s = 0.1389 µAh
每天预算电荷 = 17.6 µA × 24 h   = 422.4 µAh
工作占掉      ≈ 0.14 µAh/天（几乎可忽略）
留给睡眠+底电流 ≈ 422 µAh/天 → 睡眠平均电流 ≈ 422/24 ≈ 17.6 µA

工作那一下 10mA 很吓人，但因为占空比极低（每天 50ms，约 0.000058%），对平均预算贡献微乎其微；真正决定能不能撑一年的是深睡电流 + RTC/漏电底电流必须做到个位数 µA 甚至更低。 这就是为什么低占空比产品的 datasheet 工程师死盯 sleep/shutdown current，而不是只优化满负荷效率。

四、占空比模型：平均电流怎么拆

通用拆法（一天为周期）：

I_avg ≈ I_run × D_run            # 工作态：电流×工作占空比
      + I_sleep × (1 − D_run)    # 睡眠态：占绝大多时间
      + I_always                 # RTC/保活/漏电等常开底电流

• D_run 极小（事件驱动）→ I_sleep、I_always 主导，深睡要靠电源门控把不用的域断电、时钟门控只是退而求其次（漏电还在）。
• D_run 大（持续工作，如智能手表常亮、持续采集）→ I_run 主导，这时该上 DVFS、race-to-idle 取舍（见《能量与功率》）。
• 峰值电流 ≠ 平均电流：射频发射、电机启动有几百 mA 短脉冲，平均预算看占空比折算；但峰值还要单独满足电池能否供出（CR2032 高内阻供不出大脉冲，需大电容储能）和 DC-DC 峰值能力。

五、把效率和余量打进预算

• DC-DC 效率折损：电池 3.0V 经降压到芯片内核 0.8V，转换效率 η 常为 80%~95%。芯片预算功耗 = 系统给该电源轨的预算 × η（LDO 低压差线性稳压器效率更低、发热大，效率约等于 Vout/Vin）。系统对电池索取的功率要比芯片实际功率大 1/η。
• 留工程余量：预算别顶格，通常留 15%~30% margin 给固件后期增长、量产离散、老化。
• 分模块预算：整机平均预算 → 扣系统其他部分与效率 → 得芯片预算 → 再按典型用例的模块活动时间，分给 CPU、存储、射频、外设（与后续功耗预算实战示例篇、读功耗报告对照预算列一脉相承）。

六、常见电池量级速查（取整直觉，具体看 datasheet）

电池	标称电压	典型容量	能量（Wh）	典型用途
CR2032 纽扣	3.0 V	~220 mAh	~0.66 Wh	遥控器、传感标签、RTC
AAA 碱性（单节）	1.5 V	~800~1200 mAh	~1.2~1.8 Wh	低功耗小电器
锂聚合物小电芯	3.7 V	100~500 mAh	0.37~1.85 Wh	手环、TWS、小穿戴
手机电芯	3.7~3.85 V	3000~5000 mAh	11~19 Wh	手机
18650 锂电	3.7 V	~2500~3500 mAh	~9~13 Wh	笔记本、电动工具

两点要强调：① 纽扣电池能量看似和小锂电接近，但内阻大、供不出大脉冲电流，所以标签类设备必须把无线发射压成极短脉冲并用储能电容，选型时能量够不代表供得出；② 同是「mAh」，3.7V 锂电和 1.5V 碱性不能直接比，要乘各自电压看 Wh。

七、第二个算例：可穿戴每周一充（高占空比对照）

同样的倒推，换个高功耗目标体会差异。某手表电池 3.8V、300mAh，取 k_use=0.8，续航 7 天：

可用能量 = 0.300 × 3.8 × 0.8 = 0.912 Wh
T = 7 × 24 = 168 h
P_avg = 0.912 / 168 ≈ 5.43 mW
I_avg ≈ 5.43 mW / 3.8V ≈ 1.43 mA = 1430 µA

对照纽扣标签的 18µA，手表的平均电流预算高了约 80 倍，且它有亮屏、心率、持续连接等高占空比负载，工作态电流本身就是大头——这时优化重点从「睡眠电流」转到工作态能效（亮屏时长、传感器 duty cycle、射频连接间隔、race-to-idle 与降档取舍，见《能量与功率》）。同一个公式，低占空比产品被睡眠电流支配，高占空比产品被工作能效支配——倒推一遍就知道该把工程力气花在哪。

八、做预算时的常见坑

• 直接拿标称容量、不打 k_use 折扣：低温/老化/倍率/截止电压一扣，实际续航比纸面短两三成很常见。
• 只算工作态、漏了睡眠和 RTC 底电流：低占空比产品里这才是主项。
• 忽略 DC-DC 效率与多电源轨：内核 0.8V、外设 3.3V、射频各自有转换损耗，要分轨折算。
• 用平均电流选电池、不校验峰值：平均够但脉冲供不出，会意外复位（纽扣尤其）。
• 预算顶格不留 margin：固件加功能、量产离散、电池老化后立刻超标。
• 把厂商标称「续航 X 天」直接当承诺：那通常是在最省电的占空比、新鲜电池、常温下测得，真实工况（低温、弱网重传、频繁亮屏）会明显打折，所以自己做预算要按典型甚至偏差工况而非宣传工况。

九、预算怎么落到实测：平均电流的测量思路

纸上预算必须用实测闭环，否则只是目标值。电池产品常用两种办法量平均电流：

• 电源分析仪/高精度源表（如 Qoitech Otii Arc、Keysight 一类功耗分析工具）：用一个理想稳压源替掉电池，以高采样率（可达 µs 级、nA 分辨率）记录电流随时间曲线，软件直接积分出 Q = ∫I dt（电荷）和平均电流。它能清楚分出「深睡底电流平台 + 周期性唤醒脉冲 + 发射尖峰」，是验证占空比模型、定位异常唤醒的主力。
• 串联采样电阻 + 示波器/万用表：在电源回路串小电阻测压降换算电流；示波器抓脉冲峰值与时长，普通万用表在电流剧烈变化时只给一个不可靠的平均值，慎用。

把实测曲线和第四节的占空比模型对照：I_avg 是否 ≤ 倒推出的预算（纽扣例 ~17.6µA）？睡眠平台是否真的落到个位数 µA？有没有不该出现的周期唤醒（固件里某个定时器、外设没关）把底电流抬高？电池产品的低功耗验收，看的是这条长时间平均电流曲线，而不是某一刻的工作电流。

典型用例的多状态拆解（示意）

真实产品一天往往不止「工作/睡眠」两态，而是一串功耗状态，每个都有自己的电流和时长，能量是各段之和：

状态	典型电流	触发	主要省电路径
深睡 / shutdown	µA 甚至 nA 级	绝大多时间	电源门控、RTC 常开、HVT
轻睡眠（RAM 保持）	几十~几百 µA	短时等待	时钟门控 + 部分域断电
MCU 活跃运算	几 mA	采集/处理	DVFS、即时钟门控、race-to-idle
射频发射峰值	几十~几百 mA	短暂上报	压短发射时长、降低发射功率/频次
传感器/屏	mA 级	按需	duty cycle、用完即关

预算式推广为 I_avg = Σ(Iₖ × tₖ) / 总时长。射频往往是单次最猛（百 mA 脉冲），深睡是累计最久，两者都可能成为总账主项——务必用「电流×时长」逐项算，而不是只盯着最大电流。

一个三状态的完整小账

把三类状态合到一个 1 小时窗口里体会权重（取整）：深睡 3590s @ 5µA，处理 8s @ 5mA，发射 2s @ 80mA。

深睡电荷 = 5µA × 3590s = 17950 µA·s
处理电荷 = 5000µA × 8s  = 40000 µA·s
发射电荷 = 80000µA × 2s = 160000 µA·s
合计     = 217950 µA·s
平均电流 = 217950 / 3600 ≈ 60.5 µA

反直觉的是：电流最大的发射段（80mA，是深睡的 16000 倍）并没有独占账单，因为它只占 2 秒；而处理段虽电流中等，累计电荷也不小；三段都得算。要降这台设备的平均电流，第一抓手是压低发射频次/时长或深睡底电流（哪一段电荷大改哪段），而不是埋头优化处理时的几 mA。这正是 ΣI·t 占空比模型的价值：它告诉你每一笔能量花在哪个状态、回报最高的优化在哪。实测曲线若显示平均电流高于预算，就按「哪段电荷超预期」去追对应状态的固件/硬件原因。

这一篇在知识体系里的位置

• 焦耳/瓦特、race-to-idle 与慢做 → 第 11 篇《能量与功率》；
• 低占空比为什么要断电深睡 → 第 05 篇《电源门控直觉》、第 02 篇《动态 vs 静态》；
• 持续负载怎么降工作电流 → 第 06 篇《DVFS》；
• 完整的分模块预算实战 → 后续功耗预算实战示例篇；MCU 睡眠/唤醒机制 → 后续《MCU 低功耗入门》篇。

总结

一句话总结：电池上 mAh 是电荷量、Wh 才是能量，换算关系是 Wh = Ah × 标称电压 V，跨化学体系/电压比较电池能装多少电必须看 Wh 不能只看 mAh，而做芯片低功耗的核心硬功夫是从续航目标反推数字预算：先把标称能量乘以可用比例 k_use（扣老化、低温、倍率、截止电压，常取 0.6~0.85），用目标小时数 T=天数×24 除出整机允许的平均功率 P_avg=E_use/T 和平均电流 I_avg=容量×k_use/T，再扣除屏/传感器/外设并乘以 DC-DC 效率得到芯片预算，最后按占空比拆成工作态 I_run×D_run、睡眠态 I_sleep×(1−D_run) 和常开底电流 I_always；CR2032（220mAh/3V、k_use=0.7）撑一年要求整机平均电流仅约 18µA、平均功率约 53µW 的算例说明，对低占空比事件驱动产品，10mA 工作脉冲因占空比只有约 0.000058% 对平均值几乎无贡献，真正的生命线是个位数 µA 的深睡与 RTC/漏电底电流（要用电源门控断电而非仅时钟门控），而持续高占空比产品才由工作电流主导、靠 DVFS 与 race-to-idle 优化；同时要记住峰值短脉冲电流不进平均预算却受电池内阻和大电容储能约束，预算还要再留 15%~30% 工程余量并沿倒推链分到各模块，与功耗报告的预算列闭环对照。