利用升壓轉(zhuǎn)換器延長(zhǎng)電池使用壽命

器件的靜態(tài)電流(I_Q)對(duì)于連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)器 (CGM) 等低功耗節(jié)能終端設(shè)備而言，是一個(gè)重要參數(shù)。集成電路在輕負(fù)載或空載條件下消耗的電流會(huì)顯著影響待機(jī)模式下的功率損失，以及系統(tǒng)的總運(yùn)行時(shí)間。

由電池供電的負(fù)載實(shí)際上并不是常開(kāi)型負(fù)載，而是脈寬調(diào)制 (PWM) 負(fù)載，這意味著負(fù)載包含兩個(gè)時(shí)間段：t_PWM和 t_Standby，如圖 1 所示。盡管 t_Standby占總負(fù)載周期（在圖 1 中顯示為 T）的  99.9%，但它對(duì)提升效率（尤其是輕負(fù)載效率）仍非常重要。

圖1 電池系統(tǒng)負(fù)載情況

為了提升效率和延長(zhǎng)電池使用壽命，人們面臨著降低待機(jī)模式功率損失、限制電流尖峰和減小導(dǎo)通時(shí)間脈沖期間占空比的諸多挑戰(zhàn)。具有低 I_Q 的升壓轉(zhuǎn)換器可幫助降低電池的總功率損失。

選擇低I_Q升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)提升總效率

CGM 展示了為何最大程度降低 I_Q 對(duì)于延長(zhǎng)電池使用壽命是重要的。圖 2 展示了 CGM 電源塊，其中包括一個(gè)用于讀取血糖濃度的傳感器，一個(gè)用于捕獲血糖讀數(shù)的發(fā)送器和一個(gè)用于通信和顯示的無(wú)線接收器。該發(fā)送器由一個(gè)紐扣電池、升壓轉(zhuǎn)換器和模擬前端組成（圖 3），該模擬前端消耗大部分電能。

圖2 CGM的電源架構(gòu)

圖3 CGM發(fā)送器的電源架構(gòu)

圖4展示了模擬前端的負(fù)載電流。如您所見(jiàn)，發(fā)送器在 99% 的時(shí)間處于待機(jī)模式。

圖4 CGM發(fā)送器中電流消耗隨時(shí)間的變化

公式1計(jì)算了電池在一個(gè)負(fù)載周期中提供的總功率為：

    (1)

降低 IQ 可直接提升待機(jī)模式下的效率。

德州儀器的 TPS61299 升壓轉(zhuǎn)換器僅從V_OUT中消耗95nA的I_Q，因此可在 CGM 的以下典型待機(jī)條件下將效率提升 39%：V_IN=3.0V，V_OUT=3.3V 且待機(jī) I_OUT=10μA（圖 5）。在每個(gè) 288s 的負(fù)載周期中，30mA 的導(dǎo)通時(shí)間脈沖負(fù)載持續(xù) 600ms，相當(dāng)于每天節(jié)省多達(dá) 2.53W 的功率。提升待機(jī)模式下的效率最終可延長(zhǎng) 20% 的電池使用壽命。

圖5 TPS61299和600nA I_Q器件的效率曲線

限制電池的放電電流

盡管高能量密度、低放電紐扣電池極其常見(jiàn)，但其主要缺點(diǎn)是具有高等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和有限的電流能力。PWM 負(fù)載應(yīng)用的占空比小，高電流脈沖會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于放電電流的高浪涌電流尖峰，這對(duì)電池容量和電池使用壽命都會(huì)產(chǎn)生不良影響，尤其是在使用超級(jí)電容器時(shí)。同樣，ESR 會(huì)隨著電池老化而增大，由電流尖峰導(dǎo)致的功率損失也會(huì)相應(yīng)增加。

電池容量與放電電流成反比，電池使用壽命與容量具有線性關(guān)系，如圖 6 所示。將放電電流從 500mA 降至 100mA 可將電池使用壽命增加一倍。

TPS61299 升壓轉(zhuǎn)換器系列提供從 5mA 到 1.5A 的輸入電流限值，可精確限制導(dǎo)通時(shí)間脈沖期間的放電電流，幫助延長(zhǎng)電池使用壽命。

圖6 電池使用壽命與放電電流

選擇具有快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的器件

通過(guò)減小負(fù)載的導(dǎo)通時(shí)間脈沖寬度來(lái)降低總功率損失，也能延長(zhǎng)電池的總使用壽命。

圖 7 展示了智能手表 LED 的逐周期負(fù)載情況。PWM 負(fù)載包含兩個(gè)階段：瞬態(tài)時(shí)間 (ttran) 和采樣時(shí)間 (tsample)。ttran 測(cè)量升壓轉(zhuǎn)換器在發(fā)生負(fù)載電流或電源電壓突變后快速穩(wěn)定至目標(biāo)輸出電壓的時(shí)間。tsample 是光電二極管穩(wěn)定后的恒定值。

縮短 ttran 會(huì)大大縮短 PWM 時(shí)間 (tPWM)，反過(guò)來(lái)增加消隱時(shí)間 (tBLANK)，并使 IQ 運(yùn)行狀態(tài)時(shí)間更長(zhǎng)。假設(shè)可以將 ttran 從 100μs 降至 10μs，且 tsample 為 10μs、周期時(shí)間為 250μs，則可以將 tBLANK 從 140μs 延長(zhǎng)至 230μs，如圖 8 所示。

圖7 傳統(tǒng)PWM負(fù)載

圖8 具有快速瞬態(tài)性能的PWM負(fù)載

在 tBLANK 和縮短的 ttran 時(shí)間內(nèi)，通過(guò)維持低 IQ 來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率總是步履維艱。低 IQ 器件的響應(yīng)時(shí)間總是很長(zhǎng)，因?yàn)樵?IQ 非常低的情況下為內(nèi)部寄生電容充電是具有挑戰(zhàn)性的。

然而，TPS61299 可實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，且?guī)捀鼘?。例如，?3.6V 輸入和 5V 輸出條件下，輸出電流從 0mA 升高至 200mA 的典型穩(wěn)定時(shí)間是 8μs，如圖 9 所示。

圖9 TPS61299的瞬態(tài)波形

結(jié)語(yǔ)

為幫助設(shè)計(jì)人員降低電池總功率損失，TPS61299 升壓轉(zhuǎn)換器同時(shí)整合了三種有效的方法：

●   選擇低I_Q升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)提升總效率。

●   限制電池的放電電流。

●   選擇具有快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的器件。