德州仪器(TI)电池管理系统产品线经理王世斌先生
在使用电池的电子系统中,追求更低功耗永远是设计人员面临的挑战。即便是使用可充电电池的设计,也不能让用户过于频繁地充电,这会导致用户体验变差,降低产品竞争力。在超低功耗系统中,工程师们想方设法地提升系统效率,尽可能降低每一个设备(MCU、传感器)用电时的功耗,可毕竟每一个设备也有自身局限,功耗不可能一直降低。于是降低损耗成为另一项重点议题。
很多超低功耗系统中,里面的很多设备在更多时间处于关闭或休眠状态,但仍然有微小电流(被称为静态电流IQ: quiescent current)流过系统,持续缓慢消耗有限的电力。比如IoT的传感器节点,几分钟才收集一次信息,水表、燃气表这种计量设备也是间隔上报数据,为了能够实现系统的快速响应,系统不能做到完全彻底断电(整个系统重新上电的消耗可能更多),需要能够快速唤醒,因此有休眠甚至深度休眠的设置。对于这类系统来说,休眠或者部分子系统关闭时的功耗是设计优化的重点,降低静态电流IQ能够让有限的电池能量充分供应到系统工作中去。
“物联网技术的发展促发了对电池的需求,当这些产品小型化的时候,电池体量也越来越大,我们如何让电池做得小,或者在一些应用场景里是做到不需要电池,就变得很关键。” 德州仪器(TI)电池管理系统产品线经理王世斌说。
驱动低IQ需求的两个主要因素:
在有电池的场景,用户希望延长电池使用时间或者减少电池的充电次数,提升用户体验;
在一些非携带式场景里面,用户希望电池能用得更长,以便精确的预测产品服务周期,如果去只能用两年的一次性电池,通过优化IQ,能达到十年更换电池,而十年后设备也会更新换代,那么在设备整个生命周期就可以不用换电池,
即便完全关闭的情况下,化学电池本身也会有微弱的功率损耗,如果IQ能够比电池本身的消耗还小非常多,那么整个系统在休眠状态下的功耗就可以达到令人惊喜的效果。
通过采用先进的工艺对元器件的静态电流进行优化,同时在电路方面进行了创新,2019年,德州仪器先后发布了4款不同类型的低IQ产品。第1季度发布静态电流纳安级电压监控器TPS3840,第3季连发3款:IQ低至25nA的TPS7A02 线性稳压器LDO,支持20mA的截止电流的新型开关电池充电器BQ25619,以及IQ低至60nA的开关稳压器TPS62840。足见低IQ市场的需求和潜力。
TPS3840是2019年最先推出市场的产品,也可以说是德州仪器最先为超低功耗市场提供优化IQ的产品。之所以需要对电压监控器进行IQ优化,是因为电路中的电压监控器在大部分时间都不工作,因为它是复位芯片,在系统异常的时候,才会做复位动作,这种芯片在99.99%的时间处于睡眠的状况,因此自耗电越低越好。
“这种自耗电在正常工作时看不到实际的操作以及价值,所以我们希望把自耗电做更低更好。”
TPS7A02 LDO可使现有方案电池寿命至少延长一倍,解决许多对功耗敏感、高精密度以及低功耗应用中的关键设计挑战,在电网基础设施、楼宇自动化、医疗设备及可穿戴市场等应用中发挥作用。例如,在无线可视门铃和监视器的设计中使用 TPS7A02,工程师可实现 24 个月或更长的电池寿命(高达业界标准的四倍)。具备 3 nA 更低关机IQ 的 TPS7A02与行业内同类器件相比,可将便携式医疗和可穿戴应用中的电池储存时间延长多达五倍。
TPS7A02可在很多应用中发挥作用
BQ25619提供低至20mA充电截至电流,可为小型设备增加7%的电池容量,透过设置充电定时器进一步延长了电池运行时间,使用户无需更频繁地为其器件充电。
BQ25619还增加了一个运输模式(ship mode),在这个模式下,电池漏电从20μA减少到6μA。这个模式的意义就是电子产品在长达3个月的海运之后,仍然可以保持一定电量直接开机。而在过去,很多电子产品采用胶贴的方式,把电池跟系统隔离,用户打开包装后,把这个胶贴拿走才能上电,这种电子胶贴不仅提升用户体验,还能够为制造商节约成本。
TPS62840 开关稳压器IQ低至60 nA,仅为业界类似器件的1/3,使设计人员能够延长系统电池使用寿命,或使用更少或更小的电池来缩小其整体电源解决方案尺寸并降低成本。例如,工程师可以利用新型开关稳压器将其电池数量减少一半,或者在其设计中使用更小的电池。例如,设计人员使用四节AAA电池来代替四节AA电池,可节省16,980 mm3的空间。
“静态电流只有更小,没有最小!”
这不仅是德州仪器,也是所有低功耗系统设计人员的努力目标。