德州儀器(TI)電池管理系統產品線經理王世斌先生
在使用電池的電子系統中,追求更低功耗永遠是設計人員面臨的挑戰。即便是使用可充電電池的設計,也不能讓用戶過于頻繁地充電,這會導致用戶體驗變差,降低產品競爭力。在超低功耗系統中,工程師們想方設法地提升系統效率,盡可能降低每一個設備(MCU、傳感器)用電時的功耗,可畢竟每一個設備也有自身局限,功耗不可能一直降低。于是降低損耗成為另一項重點議題。
很多超低功耗系統中,里面的很多設備在更多時間處于關閉或休眠狀態,但仍然有微小電流(被稱為靜態電流IQ: quiescent current)流過系統,持續緩慢消耗有限的電力。比如IoT的傳感器節點,幾分鐘才收集一次信息,水表、燃氣表這種計量設備也是間隔上報數據,為了能夠實現系統的快速響應,系統不能做到完全徹底斷電(整個系統重新上電的消耗可能更多),需要能夠快速喚醒,因此有休眠甚至深度休眠的設置。對于這類系統來說,休眠或者部分子系統關閉時的功耗是設計優化的重點,降低靜態電流IQ能夠讓有限的電池能量充分供應到系統工作中去。
“物聯網技術的發展促發了對電池的需求,當這些產品小型化的時候,電池體量也越來越大,我們如何讓電池做得小,或者在一些應用場景里是做到不需要電池,就變得很關鍵。” 德州儀器(TI)電池管理系統產品線經理王世斌說。
驅動低IQ需求的兩個主要因素:
? 在有電池的場景,用戶希望延長電池使用時間或者減少電池的充電次數,提升用戶體驗;
? 在一些非攜帶式場景里面,用戶希望電池能用得更長,以便精確的預測產品服務周期,如果去只能用兩年的一次性電池,通過優化IQ,能達到十年更換電池,而十年后設備也會更新換代,那么在設備整個生命周期就可以不用換電池,
即便完全關閉的情況下,化學電池本身也會有微弱的功率損耗,如果IQ能夠比電池本身的消耗還小非常多,那么整個系統在休眠狀態下的功耗就可以達到令人驚喜的效果。
通過采用先進的工藝對元器件的靜態電流進行優化,同時在電路方面進行了創新,2019年,德州儀器先后發布了4款不同類型的低IQ產品。第1季度發布靜態電流納安級電壓監控器TPS3840,第3季連發3款:IQ低至25nA的TPS7A02 線性穩壓器LDO,支持20mA的截止電流的新型開關電池充電器BQ25619,以及IQ低至60nA的開關穩壓器TPS62840。足見低IQ市場的需求和潛力。
TPS3840是2019年最先推出市場的產品,也可以說是德州儀器最先為超低功耗市場提供優化IQ的產品。之所以需要對電壓監控器進行IQ優化,是因為電路中的電壓監控器在大部分時間都不工作,因為它是復位芯片,在系統異常的時候,才會做復位動作,這種芯片在99.99%的時間處于睡眠的狀況,因此自耗電越低越好。
“這種自耗電在正常工作時看不到實際的操作以及價值,所以我們希望把自耗電做更低更好。”
TPS7A02 LDO可使現有方案電池壽命至少延長一倍,解決許多對功耗敏感、高精密度以及低功耗應用中的關鍵設計挑戰,在電網基礎設施、樓宇自動化、醫療設備及可穿戴市場等應用中發揮作用。例如,在無線可視門鈴和監視器的設計中使用 TPS7A02,工程師可實現 24 個月或更長的電池壽命(高達業界標準的四倍)。具備 3 nA 更低關機IQ 的 TPS7A02與行業內同類器件相比,可將便攜式醫療和可穿戴應用中的電池儲存時間延長多達五倍。
TPS7A02可在很多應用中發揮作用
BQ25619提供低至20mA充電截至電流,可為小型設備增加7%的電池容量,透過設置充電定時器進一步延長了電池運行時間,使用戶無需更頻繁地為其器件充電。
BQ25619還增加了一個運輸模式(ship mode),在這個模式下,電池漏電從20μA減少到6μA。這個模式的意義就是電子產品在長達3個月的海運之后,仍然可以保持一定電量直接開機。而在過去,很多電子產品采用膠貼的方式,把電池跟系統隔離,用戶打開包裝后,把這個膠貼拿走才能上電,這種電子膠貼不僅提升用戶體驗,還能夠為制造商節約成本。
TPS62840 開關穩壓器IQ低至60 nA,僅為業界類似器件的1/3,使設計人員能夠延長系統電池使用壽命,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。例如,工程師可以利用新型開關穩壓器將其電池數量減少一半,或者在其設計中使用更小的電池。例如,設計人員使用四節AAA電池來代替四節AA電池,可節省16,980 mm3的空間。
“靜態電流只有更小,沒有最小!”
這不僅是德州儀器,也是所有低功耗系統設計人員的努力目標。