鉅大LARGE | 點擊量：1135次 | 2020年05月01日
如何有效延長電池使用壽命？TI推超低靜態(tài)電流產(chǎn)品組合
關(guān)于電池驅(qū)動的系統(tǒng)來說，大量時間處于待機(jī)模式，為了延長電池的使用壽命，就要求電源具有極低的靜態(tài)電流（Iq），為此，TI在2019年推出了多款超低Iq的產(chǎn)品，有效降低了系統(tǒng)的待機(jī)功耗，提高了系統(tǒng)效率，并顯著延長了電池的使用時間。日前，德州儀器電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品線經(jīng)理王世斌詳細(xì)解讀了引入超低靜態(tài)電流技術(shù)的各條產(chǎn)品線。王世斌介紹，目前TI的電源產(chǎn)品共有六大產(chǎn)品線，包括降壓型DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器；電源開關(guān)、接口與照明；電池管理；升壓、多通道/相位DC/DC轉(zhuǎn)換器；線性電源以及高壓電源。這其中除了高壓電源外，都有和電池相關(guān)的產(chǎn)品。
德州儀器電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品線經(jīng)理王世斌
什么是Iq以及為何要重視所謂的器件靜態(tài)電流（Iq）是指在輕負(fù)載或者無負(fù)載狀態(tài)下由IC吸取的電流?！盁o負(fù)載”是指無電流讓IC輸出。一般而言，它是通過降壓轉(zhuǎn)換器上SW引腳，或者通過升壓轉(zhuǎn)換器上VOUT引腳輸出的電流。所有Iq都只通過IC內(nèi)部流向接地。“非開關(guān)”是指IC中無電源開關(guān)為開啟狀態(tài)（關(guān)閉）。它包括主開關(guān)或者控制開關(guān)，假如兩者都集成到IC中，則還包括同步整流器。換句話講，IC處于一種高阻抗?fàn)顟B(tài)下，其具有一個與輸出端徹底斷開的功率級（一些無法關(guān)閉器件上的集成MOSFET體二極管除外）。“有效”是指IC通過其EN引腳開啟，而未處在UVLO或者其它關(guān)閉狀態(tài)下。Iq測量工作電流，而非關(guān)機(jī)電流，因此器件必須為開啟狀態(tài)。最后，Iq僅在省電模式下才有意義，因此假如這種模式為特殊器件的某個選項，則其必須有效。假如器件運行在脈寬調(diào)制(pWM)模式，則功率級輸入電流和開關(guān)損耗，明顯減少電流量，即運行該器件所需的Iq。
顯而易見，在運行時將每個電源的電流消耗降至最低是最重要的。降低Iq可以提高效率，那么降低電池的功耗也就能夠延長電池的續(xù)航時間。但是，效率是否能夠一直顯著提高呢？對在相對較高的負(fù)載電流下運行的系統(tǒng)（如：顯示器和某些傳感器）而言，答案顯然是否定的；輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電流消耗Iq。例如,假如健身跟蹤器的顯示器在5mA(總功率60毫瓦)下的分電壓為12V,那么3.6V電池(總功率0.36mW)下的的100μAIq分電流是微不足道的。
關(guān)于這些類型的子系統(tǒng)而言更重要的是禁用時的功耗。為節(jié)省電量，超低功耗系統(tǒng)會在大部分時間關(guān)閉耗電的子系統(tǒng)。因此，關(guān)機(jī)電流對系統(tǒng)電池的壽命也非常重要。這種經(jīng)常被稱為漏電的電流可能非常大，因此必須加設(shè)一個負(fù)載開關(guān)來斷開子系統(tǒng)的電源。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
不使用負(fù)載開關(guān)時，假如裝置與負(fù)載之間有連接路徑，則必須同時考慮進(jìn)入設(shè)備本身的漏電流和負(fù)載情況。這是使用升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)常面對的一種情況，因此有時會加設(shè)特定電路來斷開這些路徑。在其他情況下，這條路徑經(jīng)過特殊優(yōu)化，可以允許旁路操作——在禁用設(shè)備中以低于50nA的停機(jī)電流消耗為負(fù)載供電。
為特定子系統(tǒng)選擇合適的設(shè)備類型—超低靜態(tài)電流Iq或超低關(guān)機(jī)電流是非常重要的。這些細(xì)微差別在每個超低功耗系統(tǒng)從可穿戴設(shè)備到智能電表，再到醫(yī)療設(shè)備中都很普遍。所以在選擇最佳解決方法前，要謹(jǐn)慎考慮應(yīng)用需求。
王世斌表示，系統(tǒng)工程師具體要計算設(shè)備的使用情況，假如靜態(tài)時候居多，就要選擇LDO，而考慮動態(tài)功耗居多的話，則要選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器。超小型，低IqLDOTpS7A02超低功率低壓降線性穩(wěn)壓器TpS7A02，其工作靜態(tài)電流（Iq）可低至25nA。近年來，TILDO產(chǎn)品的Iq特點進(jìn)展相當(dāng)迅速，2016年的TpS797靜態(tài)電流為1.2μA，2018年TpS7A05減少到1μA，而僅僅過了一年，又開發(fā)出降低40倍功耗的TpS7A02。25nA的水平僅為競爭對手的十分之一，同時采用了DSBGA封裝，尺寸僅為0.65mm*0.65mm，上代產(chǎn)品則為1mm*1mm，縮小了70%的面積。
另外，王世斌強(qiáng)調(diào)在1至50mA的負(fù)載瞬態(tài)時，該產(chǎn)品的響應(yīng)時間為5μs，是競爭對手的一半。通過兼具超低Iq和快速瞬時相應(yīng)，TpS7A02可廣泛應(yīng)用于包括電表、樓宇自動化控制、醫(yī)療及便攜式電子設(shè)備中。TpS7A02即使在Dropout模式下，也能保持低Iq，從而進(jìn)一步延長電池壽命。在關(guān)機(jī)或禁用模式下，設(shè)備僅有3nAIq，有助于延長電池的保質(zhì)期。
TpS7A02的輸出范圍為0.8V至5.0V，最小電壓調(diào)節(jié)幅度為50mV，可支持較低核心電壓的MCU。TpS7A02具有智能使能電路和內(nèi)部控制的下拉電阻，即使EN引腳懸空也能保持LDO禁用，減少用于下拉EN引腳的外部元件。當(dāng)該器件工作時，該電路還有助于最大限度地降低通過外部下拉電路所吸收的電流。TpS7A02的額定溫度范圍為-40°C至+125°C。60nAIq的開關(guān)穩(wěn)壓器TpS62840除了LDO之外，在重視效率的地方，開關(guān)穩(wěn)壓器的應(yīng)用更為廣泛。TI全新的TpS62840，其Iq可達(dá)到60nA，僅為業(yè)界類似器件的1/3。TI的開關(guān)穩(wěn)壓器的產(chǎn)品Iq同樣是進(jìn)步明顯。
2008年，TpS62240的Iq為15μA，2014年TpS62740減少到了360nA，如今縮小了6倍到60nA。“由于開關(guān)電源要不斷刷新上下管，因此很難做到極低的Iq，TpS62840則打破了這一傳統(tǒng)特性。”王世斌說道。
王世斌表示，TpS62840具有四大優(yōu)勢，其一是效率足夠高，在1μA的負(fù)載下，可供應(yīng)80%的超高輕負(fù)載效率，幫助設(shè)計人員延長電池使用壽命。
第二是供應(yīng)可選模式和停止功能，這是由于開關(guān)電源的噪音相對LDO來說較大，因此可以通過停止模式，利用外掛電容供電，從而實現(xiàn)極低噪音水平，這關(guān)于采集模式來說非常重要。同時也支持脈沖頻率調(diào)制(pFM)及脈沖寬度調(diào)制(pWM)模式，對應(yīng)不同的噪聲性能及傳輸功耗情況。
第三，支持1.8V至6.5V寬電壓輸入范圍，也支持多種化學(xué)電池場景支持多種電源，如2S至4S堿性，1S至2SLi-MnO2或1SLi-Ion/Li-SoCl2電池等。第四是更小的尺寸，相對上一代2mm*3mm，本代產(chǎn)品的尺寸為1.5mm*2mm。TpS62840的應(yīng)用場景包括電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、樓宇自動化、消費電子中的TWS耳機(jī)等。
同時，TI也供應(yīng)了該產(chǎn)品的參考設(shè)計，適用于NB-IoT無線模塊供電。此外該器件的特點還包括：該產(chǎn)品包含特殊電路，可在100％模式下實現(xiàn)僅150nAIq，從而進(jìn)一步延長放電結(jié)束時的電池壽命。同時該設(shè)備使用DCS-Control為射頻供電，并以1.8MHz的典型開關(guān)頻率運行。通過將電阻連接到引腳VSET，可以選擇16個預(yù)含義的輸出電壓，從而使器件能夠靈活地用于各種應(yīng)用，并減少外部元件數(shù)量。該器件的STOp引腳可立即消除任何開關(guān)噪聲，以便在測試和測量系統(tǒng)中進(jìn)行無噪聲測量。TpS62840可供應(yīng)高達(dá)750mA的輸出電流。
電壓監(jiān)控器TpS3840TpS3840是一款電壓監(jiān)控復(fù)位芯片，重要功能是監(jiān)控電壓，當(dāng)有異常狀態(tài)時復(fù)位系統(tǒng)。因此該器件絕大部分時間都處在休眠狀態(tài)，但是監(jiān)控電路始終都處在低負(fù)載工作狀態(tài)，因此要極低的Iq，才能保證功耗最低。TpS3840的Vin支持1.5V-10V，寬輸入電壓范圍允許在不使用外部組件的情況下監(jiān)控9V電壓軌或電池，在使用外部電阻器的情況下監(jiān)控24V電壓軌。毫微級Iq可以在低功耗應(yīng)用中延長電池壽命，并在使用外部電阻器時最大限度降低電流消耗。
快速啟動延遲允許在系統(tǒng)的其余部分上電之前檢測電壓故障，因此可以在危險的啟動故障狀況下實現(xiàn)最高的安全性。低上電復(fù)位電壓(VpOR)可防止錯誤復(fù)位、過早啟用或開啟下一個器件，并能夠在上電和斷電期間正確控制晶體管。其自耗電僅為350nA，由于自耗電極低，因此可以在系統(tǒng)中針對場景不同應(yīng)用多顆該產(chǎn)品，實現(xiàn)更穩(wěn)健的電路保護(hù)，可用作比較器或菊花鏈?zhǔn)酵ㄓ霉╇姳O(jiān)控器，或作為定序器。該系列包括三種輸出拓?fù)洌郝O開路，低電平有效；推挽，低電平有效；推挽，高電平有效，以適用于不同的監(jiān)控器件需求。
在談到該款器件的應(yīng)用時，王世斌介紹道，包括電網(wǎng)監(jiān)控、Ip攝像機(jī)、EpOS機(jī)以及可穿戴設(shè)備等都可以用到該產(chǎn)品。尤其是關(guān)于EpOS機(jī)，在支付時會與中央系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證身份，假如出現(xiàn)系統(tǒng)異常要及時取消交易，進(jìn)行復(fù)位。如今pOS機(jī)很多都是充電式的，因此減少Iq可極大新增設(shè)備的待機(jī)時間，改善體驗。
針對TpS3840，TI開發(fā)了兩個TIDesigns參考設(shè)計，分別為適用于保護(hù)繼電器模塊且具有診斷功能的非隔離式電源架構(gòu)參考設(shè)計，采用獨立轉(zhuǎn)換器ADC的高精確度分相CT電表參考設(shè)計。極低截止電池的充電管理IC電池充電開關(guān)管理ICBQ25619的截止電流僅為20mA，這就可以為容量較小的電池沖入更多的電量，根據(jù)TI的官方數(shù)據(jù)，相關(guān)于過往產(chǎn)品，可提高7%的電池電量，讓電池充得更飽。
BQ25619的第二個特點是三合一高集成產(chǎn)品，整合充電、升壓轉(zhuǎn)換器和電壓保護(hù)等功能，充電效率高達(dá)95%。尤其是關(guān)于TWS應(yīng)用，為了更好地利用電池倉，必須采用升壓電路，并且該產(chǎn)品集成電感，可節(jié)約pCB和總成本。
第三個特點就是自耗電非常低，為20μA，同時還新增了運輸模式，也就是電子膠貼技術(shù)。王世斌具體解釋道，過去電池設(shè)備在出廠時必須要有一個塑料片隔離電池與系統(tǒng)，等使用時撕去塑料片，系統(tǒng)開始正常工作。而BQ25619的運輸模式，Iq只有6μA，可實現(xiàn)長時間的待機(jī)，用戶上手后只要一個按鈕就可以啟動系統(tǒng)，而不再使用傳統(tǒng)的物理隔離方式。BQ25619適合包括可穿戴醫(yī)療設(shè)備，資產(chǎn)追蹤，冷鏈運輸監(jiān)控，個人消費電子等電池驅(qū)動的領(lǐng)域，讓電池充得更多，用得更省，減少充電次數(shù)，提升產(chǎn)品的競爭力。
除了開關(guān)充電器之外，BQ25150為一款集成LDO和ADC的低Iq線性電池充電管理IC，該產(chǎn)品截止電流為0.5mA，并且具有高集成度，同樣也帶有運輸模式。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)鋰離子充電曲線分三個階段對電池進(jìn)行充電：預(yù)充電、恒流和恒壓調(diào)節(jié)。
