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江南官方体育APP下载.超低静态电流成为电池管理的大方向TI上新4类芯片
浏览次数:8次 发布日期:2024-04-18 03:21:55 来源:江南官方体育APP下载 作者:江南app官方网站

  次数,居家摄像头、资产跟踪等物联网产品自耗电越来越低……。近日,德州仪器(TI)系统产品线经理王世斌先生来京,带来了四种超低静态电流(IQ)芯片,并介绍了其应用与相关技术。

  首先,IoT的发展促进了电池小型化的需求,当这些产品小型化的时候,如何让电池做得更小甚至无需电池,就变得至关重要。对于自耗电,静态电流只有更小,没有最小。

  其次,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,可使待机时间增倍,从而减少充电次数,从而延长电池的使用寿命。

  再有,很多时间互联网产品大部分处于静态/不工作/监控状况下,所以功耗大都来自静态,如果静态电流做得更小,便可以把充电的次数降低,延长电池的寿命。

  可见,如果能把静态电流做低,可以从多次性的充电电池换成较为便宜的一次性电池,或者减少充电周期。

  TI电池组里分类很细,有6大类产品(如下图)。第一类是降压型DC/DC产品,就是开关电源产品,即LDO;还有升压型的开关芯片,也包括多通道/相位或者升降压的芯片;另外一种是比较简单的线性电源芯片;因为做电源很多时候需要接触到电源的开关,因此也会有电源开关、接口于照明的产品,如LED 灯;还有相对高压的产品,例如TI于2018年发布的AC/DC GaN(氮化镓)产品;最后是电池管理产品。

  此次TI带来的4款新品主要是TPS7A02线性稳压器,另外三款是充电芯片BQ25619,降压型稳压器TPS62840,还有TPS3840。这四款产品都具备自耗电比较低的共通特性,与前代相比降低了数倍。

  为何电池充电组有TPS和BQ系列之分?实际上大部分TPS和DC/DC电源相关,BQ与电池相关。

  2019年9月18日,TI刚刚出炉这款超小型、低压降线性稳压器(LDO),亮点是静态电流约25 nA,比前一代降低了约40倍(如下图),这意味着待机时间延长了40倍!

  低静态电流只是此款LDO关键的一部分而已,一款优秀的LDO还需要具备多种功能,最主要的功能是稳压,此款LDO对瞬态电流响应较快,对应50 mA的负载,它在5 μs就可以响应过来。响应速度非常关键,如果一个LDO响应不快,一个负载来了以后,系统可能就垮掉了,于是也起不到线性稳压器的作用。

  新的TPS7A02另一个优势是体积小,只有0.65 mm×0.65 mm的封装,比前代小了70%。这意味着可以适应各种场景去应用,尤其是可用于微型中。

  ●电网基础设施。例如电表。因为一般电表里采用一次性电池,不过,需要派人定期去更换电池。有了这种静态电流LDO,基本上在电表寿命周期里无需更换电池了。

  ●楼宇自动化。例如摄像头也同样适用。在人少的地方,摄像头大部分时间处于休眠状况,只有人走过时才会启动摄像,所以自耗电对其非常重要的,可能比工作耗电占的比例更大。

  ●医疗。一些传统医疗设备有电池充电的产品。这些医疗设备有很精准的ADC或信号链产品,因而耗电较高,所以电池通常较大。不过,一般家庭并不会每天用到这些设备,所以很多时候设备处于待机状态。静态电流低便可减少充电的次数,达到更长的待机时间。

  上一节的LDO静态电流是25 nA,而本节的开关稳压器TPS62840为何是65 nA?关键在于工作时间长短。众所周知,开关电源的效率较高,在这种场景下,客户需要权衡设备在静态和动态的时候分别有多少时间?在动态多的场景,用开关DC/DC是比较好的,在静态多的时候用LDO较好。

  在动态时间比静态时间长的场合,开关DC/DC在静态时还是能得到65 nA的静态电流,也是令人满意的。

  从实现原理分析,与前代产品相比(360 nA,如下图),新的TPS62840是65 nA,这是非常难达到的,需要在开关键里不断更新上关与下关,所以静态电流会比LDO高,但是比前代静态电流已经低了6倍。而且封装更小了,从以前6 mm2缩小到3 mm2。从DC/DC来说,效率也非常重要,该芯片能做到在1 µA负载下提供80%的超高轻负载效率,已经非常难得了。如果在更高负载的情况下,例如300 mA时能做到超过90%甚至95%。

  另外一个特色是在芯片里,一般开关电源都会遇到开关时噪音很大的问题,这会对ADC的数据采集造成影响。因此TI做了2个模式,一个是停止模式,即当要采集特别敏感数据的时候,可以把开关电源稍微停下来,用外挂电容为系统提供短时电压。当然时间是非常短暂的,因为是靠外挂的电容,但是是非常静态的,噪音等级与LDO已非常接近。

  再有,新的TPS62840适合的电压也是比较广的,最高能达到6.5 V。因为在此设计里已经考虑到多种化学电池的使用场景,对各种电池电压都能适应,例如有些是锂电池4.2~4.5 V,一次性电池有些是AA电池为1.2 V,用三四节,因此四点几伏、5 V、6 V都有可能用到。

  场景应用方面,包括前述的电网设备。电网设备有时可能传输数据比较频繁,工作时间较长,这时需要用到开关电源;如果在瞬时状态较多的场景,可以选刚才上一节介绍的LDO稳压器。

  在楼宇自动化场景,典型的应用是IP摄像机也可能用到DC/DC,用来对影像进行处理。电流负载较大的场景会提供较高效率的DC/DC。

  消费类的产品的待机时间也非常重要,大家都不喜欢一个耳机今天充完电,几个星期以后拿出来电已耗尽。因此在消费类产品中,低功耗也是非常流行的。

  TI也为此款DC/DC做了参考设计,特别是对锂二氧化锰电池做了优化。TI在设计芯片时对各种电池,尤其是有目标电池进行了目标性的应用,如果客户需要的话,可以到官网上拿到参考设计。

  通常在大部分时间不工作,需要它工作的次数可能很少,因为它是复位的芯片,在系统异常的时候才会发出复位的信号。由于这类产品99.99%的时间处于睡眠状态,因此也需要非常低的自耗电。不过在监控过程中,里面配置的比较器或参考电压会对过压和低压做保护,会对系统做复位,这也解释了为什么这种自耗电是系统必备的。

  该芯片的主要特性是它可以在10 V操作,外部加2个分压可以做到20 V的耐压,是350 nA的自耗电(注:所以它在大部分场景耗电是非常低的),而且精度高,能做到1%,例如监控4 V的系统,1%就是4 mV,是非常高精度的。

  在一些特别场景中,客户有时会用多个监控芯片。因为该监控芯片可以做启动的作用,特别是开关持续启动,例如可以用这个芯片去监控电源,当电源达到一定电压时,会对LDO做复位或者Enable。

  在应用上,可以对电网做监控。而且在电网里是需要很多监控芯片,如果能把每个监控芯片的静态电流都降低,省电量是非常可观的。

  特别地是EPOS(电子销售终端)。EPOS为什么要用复位芯片?在刷卡或刷二维码时,EPOS会与中央系统进行通讯,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,取消相关交易,使金融交易在比较稳定的环境里进行。

  但是有些设备一定要充电,因此需要高效、高精度的充电器。为此,TI推出了BQ25619,堪称业界极低截止电流的开关充电器。

  业界的一个趋势是电池的容量越来越大,例如以前一般手机是2 A的电池,现在已经涨到3 A;自2018年以来出现了一个反转,即在同样待机时间里,把电池做得更小、更便宜。小电池又产生另外一个问题——截止电流,例如以前1 A电池的截止电流是10%,即做100 mA就够了;现在如果把电池做得很小,做到200 mA,截止电流也要非常小,否则如果还是100 mA,电池就充不饱了。

  为此,TI祭出了低截止电流产品BQ25619,截止电流只有20 mA。这时再充一块200 mA的电池,充到10%的截止电流即20 mA,这样电池还是充到一样的饱,延长了小电池的充电周期。此外,据TI估算,对一个电池充到20 mA时,可增加7%的电池电量,这样可以多出7%的使用时间。

  不仅如此,新一代的BQ25619充电器带三合一功能。不仅充电;而且在充电过程中,还可以对电池进行过压过流的保护;第三,业界很多TWS耳机有电池对电池充电的功能,这个电池放在小盒子里,对外部的耳机做充电,因此,该芯片还带升压功能,把电池例如从3.8 V升到5 V,来对耳机充电,好处是本来你可能要一个充电IC+升压IC,当把它们集成在一起后,可以共用一个电感,节省了PCB(印制板)空间和成本。

  在小型产品的应用场景里,由于电池极小,因此自耗电至关重要。以前的电子产品上常有胶贴,把电池与系统隔离开,当拆包使用时,再把这个胶贴拿走。但是如果做到电子系统的自耗电低,就可以做成电子胶贴。TI新的BQ25619已经做到6 mA级,可以延长待机时间,可使设备经历数月的长途运输和线下储存,终端客户拿到产品以后,只要按一个按钮就可以启动。

  BQ25619是开关电源的充电器。实际上,TI也有相对应的线性充电器产品。这些充电器适合更小的电池,例如耳机的电池,也同样适合长途运输模式,可以达到更低的400 nA。因为它是线性的,而且对系统做了一些整合,带了整合的LDO与ADC做数据采样,因此对资产追踪是非常适合的,因为可以用ADC采集温度,用LDO为MCU供电。

  例如LDO,TI采用了最先进的工艺对静态电流进行优化。另外在电路上进行创新,在LDO里重点有两方面,一是怎样把参考电压做得更准更低。二是一般有个回路,是放大器,这个放大器在工作条件下怎么做到非常低,同时还要确保响应时间非常快,不然瞬态电流会不好。

  所以在电路设计方面有两个方面,基础的电路做得好是首要的;其次,个别产品有个别电路需要做得更低,需要一个个模块细化去分析哪个模块耗电较高,为每个模块做一个优化。

  王世斌:高压的技术相对来说是不一样的,高压也是需要AC/DC,因为它在墙上,它可能关注的不是静态电。

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