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超低静态电流领先者,TI如何解决当今及未来的设计挑战

——德州仪器发布四款超低静态电流的电源管理产品
2019-10-10
王小伟

随着人们对更小型、更智能互联设备的愈发依赖,电源的需求增长速度比以往更为快速。特别是IoT的发展对电池提出了更高的需求,当这些产品小型化的时候,如何让电池做得更小,或者在一些应用场景里是做到不需要电池,就变得非常关键。德州仪器(TI)电池管理组工程师们为了顺应电子设备微型化、电池使用寿命需求更长的趋势,开发了四款低静态电流(IQ)的产品,它们共同的特点都是自耗电比较低。那为什么要做低静态的电流呢?“低功耗、小型化”,德州仪器(TI)电池管理系统产品线经理王世斌在德州仪器超低静态电流(IQ)的电源管理媒体说明会上向电子技术应用记者这样形容到。

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王世斌 德州仪器(TI)电池管理系统产品线经理

“具体来说,驱动低IQ需求有两大因素,一个是电池运行的电源系统需要低待机功耗以延长电池寿命,并提供更好的用户体验;另一个是非携带式电子设备需要更精确的产品服务结束周期侦测 (end-of-service detection)和更大的待机电源效率。”电池的使用寿命是有限的,一个锂电池一般是500次充放电,如果把静态电流做得更小的话,比如之前每天充一次电,或者有些产品是每周充一次电,现在可以做到两天或者两周充一次电,使待机时间增倍,减少充电次数,从而延长电池寿命。“对自耗电来说,静态电流只有更小,没有最小,TI致力于在此方面投入更多的研发时间,使静态电流达到更小,从而给业界带来更好的产品。”静态电流是至关重要的,因为大多数产品很多时间都是处于静态的、不工作的监控状况下,可能每小时或者每分钟才进行测试或者采集数据,所以大部分时间它的功耗都是花在静态电流上,如果静态电流做得更小,便可以把充电的次数降低,从而延长电池的寿命。

TPS7A02 线性的稳压器

作为业界比较领先的LDO,TPS7A02拥有三大优势:首先,它的静态电流只有25nA,比前一代耗能降低了约40倍;第二个优势是体积小,只有0.65mm×0.65mm的封装,可帮助工程师将解决方案尺寸缩小70%;第三个优势是唤醒速度更快,对于1至50mA的负载瞬态能够在5μs以内响应,仅为竞品器件瞬态响应时间的一半。前款产品一年前还是在1μA上,TPS7A02的功耗降低了40倍,是哪些方面取得了突破呢?“工艺的优化和电路上的创新,”王世斌经理解释道,“TI采用了最先进的工艺对静态电流进行优化;在电路上面也进行着不断创新,把参考电压做得更准更低,优化每一个耗电较高的模块”

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TPS7A02兼具超低IQ和快速瞬时回应,有助于提高系统寿命,他的应用非常广泛。比如,在电网基础设施中,低静态电流LDO可以保证在电表的生命周期中不需要更换电表电池,从而可以节省很多人力;在家居或家居自动化、医疗行业、可穿戴设备中也同样非常适用,因为很多时候设备处于待电状态,将静态电流做低,便可减少充电的次数,达到更长的待机时间,从而确保在需要使用的时候,设备还是有电的,而不是待机时设备电已耗尽。

TPS62840 DC/DC开关稳压器

作为DC/DC开关稳压器,与前一代产品(360nA)相比,TPS62840降到了60nA,是业内最低IQ的开关稳压器,封装也从2mm×3mm减小到了1.5mm×2mm。作为DC/DC,如此低的静态电流是如何达到的呢?“需要在开关键里不断更新上管跟下管”,王世斌经理介绍到,“除此之外,TPS62840还有个特色,降噪效果非常好”。TPS62840增加了停止模式,可以将开关电源短暂停下来,用它的外挂电容为系统提供短时间的电压,以便采集比较敏感的数据,噪音等级跟LDO已经非常接近。

TPS62840的应用场景同样是电网、家居自动化和个人电子产品等,那作为设计师将如何选取20nA的LDO和60nA的DC/DC的呢?“关键在于工作时间长短,动态时间长选65nA,静态时间长选25nA”,王世斌经理介绍道,“TI推出TPS62840开关稳压器可满足始终开启(always-on)的应用的需求”。在电网设计中,如果材料数据较频繁,工作时间比较长,这时可以选择一个开关电源;在自动化的场景,比如摄像机里,也可以用到DC/DC,对影像进行处理,电流负载比较大的场景可以提供比较好的效率。

TPS3840 高输入电压、高效监控器

监控器在大部分时间都不工作,需要它工作的次数很少,因为它是复位的芯片,在系统异常的时候,才会做复位的信号,这种产品99.99%的时间都是在睡眠的状况,因此也需要非常低的自耗电。但是由于这种自耗电在正常工作时看不到实际的操作以及价值,所以同样需要把自耗电降到最低。TPS3840主要的特性是可以在10V范围内操作,外部加两个分压可以做到20V的耐压,结合350nA的自耗电,能做到1pa,比如,监控4V的系统,1pa就是4mV,是非常高的精度,TPS3840就是依靠纳米级功耗与高精确度的最佳组合来延长系统电池使用寿命。如果能把每个监控芯片静态电流都降低,那是非常省电、非常环保节能的一项举措。

作为复位芯片,TPS3840还有一个特别的应用场景,EPOS终端销售机。很多刷卡或者刷二维码的场景中,需要对中央系统进行联系通讯,认证终端客户的身份,如果系统在中间出现异常,交易便会取消,因此复位芯片是非常重要的,因为它可以监控系统异常,进行复位,从而使金融交易在比较稳定的环境里进行。

BQ25619 开关充电器

相对于其它三款用于小电池、或一次性电池的nA级产品,mA级的BQ25619专门用于可充电电池,是业界最低截止电流的开关充电器,以此延长电池的使用寿命。众所周知,产品的功耗越高,需要的电池电量越大,比如以前手机通常是2安培的电池,现在已经涨到了3安培,那低功耗产品的发展方向是什么呢?“在同样待机时间里,把电池做得更小,更便宜,把截止电流做的非常低,在充电和截止精确度之间支持更长的电池寿命。”减少小电池充电的次数,从而带来更好的用户体验。

BQ25619充电器拥有三合一的功能,整合充电、升压转换器和电压保护等功能,以95%的效率提供超快速充电。BQ25619创新型的运输模式(ship mode,400nA)可以将用户体验做到最佳,通过电子胶贴做成低功耗的省电模式,可以延长待机时间,设备从国外运到国内,或从国内运到国外需要三个月的运输时间,外加三个月在线下储存,如果自耗电做到很低,终端客户拿到产品以后,只要按一个按钮就可以启动产品,非常方便。

低截止电流有助于医疗和个人电子产品应用,如助听器、耳塞和无线充电盒。随着电池容量的增加,以及可设定充电计时器的辅助,将耳塞和充电盒的电池运行时间延长,大幅延长电池寿命,并减少使用时的充电次数。另一个特别应用是货物运输,比如药品在运输过程中,需要对温度进行监控,对物品在运输过程中的温度进行记录,这些记录都需要一块电池去启动模块。以前电池做得比较大,而且充电次数比较频繁,会导致需要不断充电,浪费很多时间,如果电池充电次数减少,那么在路上的时间可以更长,司机载货时间更长,更方便。在运输资产追踪场景中同样适用。

对很多设计师来说,版面的布局是最大的挑战,因为系统中功能越多,版面越紧张。TI的四款新品将芯片的面积缩小一半,对设计师来说是最实在的好处。另外,设计师在设计中需要计算整体系统的静态电流,较高的静态电流,需要花很多时间优化系统,做不同软件的优化或者不同模式的优化,如果把静态电流降下来,将不再需要进行这些计算了。

无论线上还是线下,TI对客户进行全方位的支持,在TI官网上通过搜索,可以找到很多细致的电源管理相关资料。对一些有仿真需求的设计师来说,TI提供的WEBENCH®,可以做一些DC/DC升降压的仿真,让客户可以第一版成功,减少改版次数;同时,无论线上或是线下,TI提供一系列的基础培训,特别是在线上,会提供各种各样的、从入门级到专家级的培训。