電池使用量持續(xù)攀升，低IQ挑戰(zhàn)接踵而至，電池供電燃眉之急無(wú)解？

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

如今，超低功耗電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者要在更高性能和更長(zhǎng)電池壽命之間不斷權(quán)衡。盡管電池容量有所提高，但基本挑戰(zhàn)仍然存在需要在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的性能。

眾所周知，靜態(tài)電流是影響系統(tǒng)待機(jī)的最大因素，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)待機(jī)，就要盡量降低靜態(tài)電流（IQ），但說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。

電池使用量持續(xù)攀升

全球碳中和的大背景下，電池使用量卻在持續(xù)攀升。從智能手表到數(shù)字門(mén)鈴，再到汽車(chē)和工廠中的傳感器，電池?zé)o處不在。這些應(yīng)用大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，但即使在待機(jī)模式下，寶貴的電池壽命也會(huì)有所損耗。

最大化可用電池容量有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用同一電池支持更多儀表讀數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸，維持更長(zhǎng)使用壽命，或使用壽命相同的小型電池，但電池容量的增加畢竟有限。

低IQ技術(shù)可在不影響系統(tǒng)性能的情況下，延長(zhǎng)電池壽命（待機(jī)時(shí)間）和貨架期。要在待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)高電池效率，需要用電源解決方案嚴(yán)格管理功率輸出，同時(shí)保持超低電流。這樣就可以增加功率密度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低EMI，更大程度減少對(duì)其他系統(tǒng)元件的干擾，并簡(jiǎn)化工程師的設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)估流程，實(shí)現(xiàn)更多系統(tǒng)功能，降低系統(tǒng)成本。此外，降低或轉(zhuǎn)移噪聲可簡(jiǎn)化精密模擬應(yīng)用功率鏈，提升系統(tǒng)的可靠性。

低IQ挑戰(zhàn)接踵而至

什么是IQ呢？IQ就是空載靜態(tài)電流，也是低功率系統(tǒng)負(fù)載循環(huán)需要克服的最重要瓶頸。降低IQ會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@種做法會(huì)在瞬態(tài)噪聲性能、芯片封裝面積和輸出功率范圍方面產(chǎn)生權(quán)衡。要打破低IQ的壁壘，在不犧牲性能或面積的情況下將大幅降低IQ，就需要重新審視硅技術(shù)和電路技術(shù)。

最小化IQ是降低功耗和管理電池壽命的關(guān)鍵因素。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明了降低IQ以延長(zhǎng)電池壽命的重要性。由于這類(lèi)系統(tǒng)大部分時(shí)間（大于99％）處于待機(jī)模式，待機(jī)或睡眠模式下的IQ往往是電池壽命的限制因素。仔細(xì)優(yōu)化低IQ電源管理模塊，有可能使電池壽命從兩年延長(zhǎng)到五年以上。

待機(jī)IQ長(zhǎng)期以來(lái)一直備受關(guān)注，但從歷史上看，大多數(shù)解決方案并不能滿足各種系統(tǒng)的需求。最新的技術(shù)突破降低了DC／DC轉(zhuǎn)換器、電源開(kāi)關(guān)、低壓差穩(wěn)壓器（LDO）和監(jiān)測(cè)儀等電源管理構(gòu)建模塊的IQ，使這些模塊的使用范圍擴(kuò)大到工業(yè)儀表、汽車(chē)傳感器和個(gè)人可穿戴設(shè)備等終端應(yīng)用。

如何實(shí)現(xiàn)低IQ？

這樣在下一代工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低IQ呢？現(xiàn)在的許多應(yīng)用都是采用低功耗、常開(kāi)型電源（電池），只有采用超低漏電工藝技術(shù)和新型控制拓?fù)洌拍苎娱L(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間；在需要快速響應(yīng)時(shí)快速喚醒比較器和零IQ反饋控制，在不影響低功耗性能的情況下實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)然，采用更小的外形尺寸，包括更小的電阻器和電容器體積，才能將電路板集成到空間受限的應(yīng)用中。

剛剛，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種采用超級(jí)電容的新型雙向降壓／升壓轉(zhuǎn)換器TPS61094，其60nA的超低IQ僅為同類(lèi)競(jìng)品升壓轉(zhuǎn)換器的三分之一。其內(nèi)部集成的降壓型超級(jí)電容充電器和升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器對(duì)超低靜態(tài)電流貢獻(xiàn)很大。

所謂超級(jí)電容器是指介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時(shí)又具有電池的儲(chǔ)能特性。

搭配超級(jí)電容的TPS61094方案與目前的混合層電容器（HLC）方案相比，可幫助工程師延長(zhǎng)電池壽命多達(dá)20％。超級(jí)電容器中的可用能量由超級(jí)電容器的容量、超級(jí)電容器上設(shè)置的最大電壓以及TPS61094的欠壓鎖定來(lái)定義。超級(jí)電容器的可用能量越多，在連續(xù)重載下的運(yùn)行時(shí)間就越長(zhǎng)。另外，超級(jí)電容的強(qiáng)大放電能力有助于支持比較大的峰值負(fù)載，這對(duì)于智能儀表、煙霧探測(cè)器和可視門(mén)鈴等電池供電類(lèi)工業(yè)應(yīng)用以及需要長(zhǎng)待機(jī)的醫(yī)療應(yīng)用非常重要。

長(zhǎng)達(dá)10年待機(jī)？

德州儀器（TI）升壓和升降壓產(chǎn)品線總經(jīng)理嚴(yán)紅輝表示，設(shè)計(jì)電池供電系統(tǒng)的工程師經(jīng)常面臨一個(gè)共同的挑戰(zhàn)，即需要在空載或輕負(fù)載（在毫安或微安級(jí)的低電流范圍內(nèi)）條件下實(shí)現(xiàn)高效率。這需要電源具有持續(xù)和穩(wěn)定的輸出，同時(shí)保持納安級(jí)的超低靜態(tài)電流。

TPS61094使用集成的雙向降壓／升壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)又兼具大輸出電流和超低靜態(tài)電流，從而延長(zhǎng)了電池壽命。

通過(guò)對(duì)超級(jí)電容的充放電管理，使應(yīng)用可以支持大峰值負(fù)載，同時(shí)兼具超低靜態(tài)電流。此前，基于鋰亞硫酰氯（Li／SOCl?）電池設(shè)計(jì)通常需要并聯(lián)一個(gè)昂貴的HLC來(lái)支持管理比較大的峰值負(fù)載，而這并不是性?xún)r(jià)比最高的解決方案。TPS61094兼具60nA的超低靜態(tài)電流和集成超級(jí)電容器充放電管理電路，支持工程師使用超級(jí)電容替代HLC來(lái)支持大的峰值負(fù)載，并在使用一次性電池供電且需要持續(xù)運(yùn)行10年以上的應(yīng)用中將電池壽命延長(zhǎng)多達(dá)20％。

除了延長(zhǎng)電池壽命外，超低功耗的TPS61094在升壓模式中還具有2A的電感電流限制能力。因此，TPS61094的輸出電流是同類(lèi)競(jìng)品升壓轉(zhuǎn)換器的兩倍。強(qiáng)大的輸出電流能力使TPS61094能夠支持更寬的輸入電壓和更多種類(lèi)的無(wú)線收發(fā)模塊，如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB－IoT）、LTE－M、Wi－SUN?、MIOTY、Bluetooth?和無(wú)線M－Bus。

例如，TPS61094可支持超過(guò)250mA的持續(xù)輸出電流和低至0．7V的輸入電壓。此外，精心設(shè)計(jì)的備用電源方案有助于提供合適容量的備用電源，在正常和備用供電之間進(jìn)行無(wú)縫切換，并支持多次斷電而無(wú)需維護(hù)。在需要安全斷電或斷電期間，TPS61094可以實(shí)現(xiàn)備用電源管理。

實(shí)現(xiàn)備用電源的有效案例

許多通過(guò)線路供電的現(xiàn)代智能IoT設(shè)備都需要備用電源，以便在意外斷電時(shí)安全斷電或保持通信不斷。例如，讓電表通過(guò)射頻接口提供關(guān)于斷電的時(shí)間、地點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間的詳細(xì)信息。

使用TPS61094和超級(jí)電容器就可以滿足NB－IoT和射頻標(biāo)準(zhǔn)。所實(shí)現(xiàn)的備用電源電路可以為NB－IoT負(fù)載曲線提供足夠的備用電源支持。

TPS61094＋超級(jí)電容器備用電源

當(dāng)系統(tǒng)電源接通時(shí)，TPS61094進(jìn)入Buck＿on模式打開(kāi)旁路場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），為超級(jí)電容器提供500mA的恒定電流，并在超級(jí)電容器兩端電壓為2．5V時(shí)停止充電。VSYS直接為VOUT供電。當(dāng)斷電導(dǎo)致VSYS下降時(shí)，TPS61094會(huì)自動(dòng)進(jìn)入Boost＿on模式關(guān)閉旁路FET，并通過(guò)超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的電荷為VOUT供電。

安全電池NB－IoT負(fù)載曲線示例

使用示波器對(duì)備用電源完整循環(huán)進(jìn)行測(cè)量，顯示了在增加負(fù)載時(shí)TPS61094在電網(wǎng)斷電時(shí)切換輸入電源的情況。當(dāng)系統(tǒng)功率突然下降時(shí)，TPS61094立即進(jìn)入Boost＿on模式，并利用超級(jí)電容器的功率調(diào)節(jié)VOUT。降壓／升壓轉(zhuǎn)換器在254．5s內(nèi)提供所需的輸出電流，可處理11．5次NB－IoT事務(wù)。TPS61094對(duì)超級(jí)電容器放電，直到其電壓降至0．7V；此時(shí)，該器件進(jìn)入關(guān)斷模式，直到系統(tǒng)VIN恢復(fù)。在Buck＿on模式下，TPS61094以恒定電流為超級(jí)電容器無(wú)縫充電。從圖中可以看出，超級(jí)電容器放電和充電之間的切換非常平穩(wěn)。

TPS61094下電、上電測(cè)量結(jié)果

對(duì)比超級(jí)電容器備用電源實(shí)現(xiàn)方案

超級(jí)電容器備用電源實(shí)現(xiàn)方案不只一個(gè)，還有一種適用于電表的參考設(shè)計(jì)，它使用分立式電路為超級(jí)電容器充電，包括用TPS61022升壓轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)斷電時(shí)將超級(jí)電容器電壓升至更高的系統(tǒng)電壓。TPS61022輸出電流能力高于TPS61094解決方案，但需要更多的外部元件。

幾種方案1．TPS61022；2．TPS63802；3、4．TPS61094（正背）

另一種是具有電流限制和主動(dòng)電池均衡功能的超級(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，它使用TPS63802降壓／升壓轉(zhuǎn)換器作為超級(jí)電容器充電器和穩(wěn)壓器，省去了分立式充電電路，但仍需要額外的外部元件來(lái)滿足ORing電源控制器、充電電流限制和超級(jí)電容器終端電壓設(shè)置的需求。

每種備用電源方法功能各有千秋

釋放電路板空間

采用低功耗無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用越來(lái)越多，需要支持LTE－M、Lora、藍(lán)牙和其他新興無(wú)線接口的備用電源應(yīng)用；智能儀表等典型工業(yè)應(yīng)用也需要多個(gè)電路元件來(lái)實(shí)現(xiàn)備用電源管理和支持大電流負(fù)載功能。

在單個(gè)芯片中集成降壓充電器和升壓轉(zhuǎn)換器后，可以省去分立式降壓充電器、電感器和兩個(gè)外部電容器，將元件數(shù)量減少50％，并最大化釋放電路板空間。最重要的是，憑借高集成度、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)和卓越的輕負(fù)載效率，使用高集成度的降壓／升壓轉(zhuǎn)換器，通過(guò)大輸出電流和超低靜態(tài)電流延長(zhǎng)了電池壽命。