在物聯網領域,電池續航是一個大問題,產品越來越小型化,但是電池體量越來越大,業界一直在思考:如何讓電池更小,或者在一些應用場景里不需要電池。“電池的使用壽命有限,一般一款鋰電池可以充放電 500 次,對于自耗電來說,如果靜態電流更小,設備待機時間延長,電池壽命也會延長。”德州儀器電池管理系統產品線經理王世斌分析,“如果我們把靜態電流做得非常低,可以把多次充電電池替換為一次性電池,這樣的好處是,不再需要充電,另外,如果一次性電池自耗電也更低,設備在幾年內都不需要去更換電池,系統維護成本也隨之降低。”

 

在某些非攜帶應用場景里,如果通過降低靜態電流,原來的一次性電池可以從現在的兩年壽面延長到十年,對于那些十年生命周期的設備可以說一輩子都不用換電池。TI 一直致力于電池技術的研究,其電源組里有六款產品,包括降壓 DC/DC 開關穩壓器,升壓、多通道 / 相位 DC/DC 轉換器,電源開關,線性電源,高壓電源,電池管理。

 

德州儀器電池管理系統產品線經理王世斌

 

TI 在超低功耗方面一直持續研發,進行技術創新,其中有四款低靜態電流產品值得工程師來關注。

 

線性穩壓器 TPS7A02:超低靜態電流、超快瞬態響應

TPS7A02 是一款超小型、超低靜態電流低壓降線性穩壓器 (LDO),可提供 200mA 的電流以及出色的瞬態性能。其具有超低 IQ(25nA),專為將極低靜態電流作為關鍵參數的應用而設計。此器件即使在壓降模式下也能保持低 IQ 消耗,以進一步延長電池壽命。在關斷模式或禁用模式下,該器件消耗極低 (3nA IQ),有助于延長電池貨架期。TPS7A02 輸出電壓范圍為 0.8V 至 5.0V,步長為 50mV,以支持更低的現代微控制器 (MCU) 內核電壓。

 

王世斌介紹,“TPS7A02 的靜態電流大概是 25nA,比前一代耗能降低了大概 40 倍。換句話說,以前用戶用這個電池,系統需要 10 天充一次電,現在用了新產品,可能 400 天才要充一次電,單顆芯片實現了 40 倍的效益;另外,它對瞬態負載響應非常快,50 毫安的負載在 5us 內就可以響應。響應速度很關鍵,如果一個 LDO 響應不快,一個負載來了以后,可能就會崩潰,也起不到線性穩壓器的作用。封裝是 0.65mm×0.65mm,比以前小了 70%,這意味著可以適應各種場景里,比如電網基礎設施、樓宇自動化、醫療、便攜電子設備。”

 

開關穩壓器TPS62840:可以滿足始終開啟

TPS62840 的工作靜態電流(IQ)可達到 60 nA,僅為業界類似器件的 1/3。它可在 1-µA 負載下可提供 80%的極高輕載效率,從而使設計人員能夠延長其系統的電池使用壽命,或使用更少或更小的電池來縮小其整體電源解決方案尺寸并降低成本。此外,新型 DC/DC 轉換器的輸入電壓(VIN)范圍較寬,為 1.8 V 至 6.5 V,能夠支持各種化學電池和配置。

 

前一代產品的靜態電流是 360nA,這一代是 65nA,可見,,新一代產品的靜態電流低了 6 倍。可能用戶覺得這一款靜態電流比 LDO 高,王世斌的解釋是,“開關穩壓器需要在開關鍵里不斷更新上管和下管,所以靜態電流一般比 LDO 較高;而且這款產品的風轉更小了,以前是 6 毫米,現在縮小到 3 毫米;效率對 DC/DC 非常重要,這款芯片在 1vA 時效率可以做到 80%,如果在更高負載的情況下,比如 300mA 時能做到超過 90%甚至 95%。”

 

在芯片里,一般開關電源都會遇到在開關時噪音大的問題,這會對 ADC 一些產能位置構成影響。王世斌還分享了 TPS62840 的另一特色,“這款芯片有兩個模式,一個是停止模式,即當用戶要采集特別敏感數據時,可以把開關電源稍微停下來,用它的外掛電容為系統提供短時間的電壓,以便采集比較敏感的數據,當然時間非常短暫,因為是靠外掛的電容,但是非常靜態的,噪音等級跟 LDO 已經非常接近;二是,TPS62840 的芯片數值也比較廣,雖然它的 4 號電很低,能夠達到 6.5V,因為有些是鋰電池 4.2V-4.5V,有些 double A 的一次性電池是 1.2V,可以用 3 節、4 節,因此 4V 多,5V、6V 都可以用到,一顆芯片可以應用不同的系統。”

 

對比發現,TPS7A02 的靜態電流是 25nA,TPS62840 的靜態電流是 65nA,用戶肯定會選擇 25nA?其實不然。王世斌解釋,“關鍵在于工作時間長短,在電源效率比較高,客戶需要估算,設備處于靜態時間多長?動態時間多長?靜態時間長,顯然用 LDO 比較好;動態時間長,DC/DC 更好。”

 

TPS3840:專為高輸入電壓、高效監控器打造

監控器一般的工作次數很少,只有在系統異常的時候,才會發出復位信號。這種產品大部分時間都在休眠,因此需要非常低的自耗電。在監控過程中,里面配置的比較器或者參考電壓,會對過電和低壓做保護,如果輸入過高或者過低,會對系統進行復位,因此,這種自耗電是必須的。但是由于這種自耗電在正常工作時看不到實際操作價值,所以自耗電越低越好。

 

TI 的 TPS3840 是專門為監控設備而設計的產品,具有寬輸入范圍、低功耗、高可靠性、可完全配置的優點。寬輸入電壓范圍允許在不使用外部組件的情況下監控 9V 電壓軌或電池,在使用外部電阻器的情況下監控 24V 電壓軌。毫微級 Iq 可以在低功耗應用中延長電池壽命,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最高的安全性。低上電復位電壓 (VPOR) 可防止錯誤復位、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。

 

關于應用,在電網基礎設施中,我們需要對電網做監控,而且需要很多監控芯片,樓宇自動化設備大部分時間都在待機,降低靜態電流可以達到節能環保的目標。電子銷售終端機在刷卡或者刷二維碼時,需要和中央系統進行通訊,認證終端客戶的身份,如果系統出現異常,交易便會取消,因此復位芯片非常重要,它可以監控系統異常,進行復位,取消交易,使金融交易環境比較穩定。

 

BQ25619:延長電池使用壽命

不管 25nA、50nA,還是 350nA,這都是 nA 級電流。這些產品帶來的優勢是,設備原來可能需要大容量電池,現在通過降低靜態電流換成小容量電池即可,甚至不用換電池,但是還有一些設備一定要充電,需要高效率、高精度的充電器,因此 TI 推出了BQ25619

 

業界有兩個趨勢,第一是隨著功耗的增加而增加電池容量,第二是,在同樣的待機時間里,把電池做得更小更便宜。電池做小產生另外的問題,如果 1 安培的電池,截止電流 10%,100mA 就可以,如果電池做得很小,到 200mA,截止電流要做到 20mA。如果截止電流還是 100mA 的,電池就難以充滿,BQ25619 的截止電流是 20mA,從而保證低功耗電池可以充滿電,在充電和截止精確度之間支持更長的電池壽命,電池容量提高 7%。

 

BQ25619 被定義為高度集成型 1.5A 開關模式電池充電管理和系統電源路徑管理器件,適用于單節鋰離子電池和鋰聚合物電池的。低阻抗電源路徑對開關模式運行效率進行了優化,縮短了電池充電時間并延長了放電階段的電池運行時間。BQ25619 可以通過適配器沿直接路徑為可穿戴附件充電,也可以通過電池以升壓模式為其充電,并使用 PMID_GOOD 引腳控制外部 PMOS FET 負載開關。

 

BQ25619 還為包括可穿戴設備和耳機充電盒在內的各種應用提供快速充電功能并提供高輸入電壓支持。其低阻抗電源路徑對開關模式運行效率進行了優化,縮短了電池充電時間并延長了放電階段的電池運行時間。其輸入電壓和電流調節、低終止電流和電池遠程檢測可以為電池提供最大的充電功率。該解決方案在系統和電池之間高度集成輸入反向阻斷 FET(RBFET,Q1)、高側開關 FET(HSFET,Q2)、低側開關 FET(LSFET,Q3)以及電池 FET(BATFET、Q4)。它還集成了自舉二極管以進行高側柵極驅動,從而簡化系統設計。

 

除了以上的低功耗芯片產品,王世斌還表示,TI 會提供相應的參考解決方案以及教學視頻,方便用戶進行產品設計。

 

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