在不影響系統(tǒng)性能的情況下延長(zhǎng)電池壽命的 3 種低 IQ 技術(shù)

隨著電池供電型應(yīng)用的激增，人們對(duì)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的電池和電池包的需求持續(xù)猛漲。電池制造商們不斷采用新的化學(xué)物質(zhì)，推出更小的尺寸，新的、復(fù)雜的限制和要求也隨之產(chǎn)生，但是對(duì)電池基本功能的要求未曾改變，即：在不影響系統(tǒng)性能的前提下，延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間和貨架期。

更大程度降低靜態(tài)電流 (I_Q) 是降低功耗進(jìn)而延長(zhǎng)電池壽命的優(yōu)先選擇。器件的 I_Q 是電池處于待機(jī)模式或者輕負(fù)載運(yùn)行時(shí)流出的電流或消耗的電量。I_Q 能大幅影響器件的能效。在電池供電型應(yīng)用中，要想在無(wú)負(fù)載或輕負(fù)載運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)高能效，就需要實(shí)施電源管理解決方案，在維持超低供電電流的同時(shí)，嚴(yán)格控制輸出。

如今的很多設(shè)計(jì)僅需要幾納安的 I_Q，這個(gè)功能惠及很多需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)運(yùn)行的應(yīng)用，大到電動(dòng)汽車(chē) (EV)，小到電動(dòng)工具和各類(lèi)耳機(jī)。由于這類(lèi)系統(tǒng)超過(guò) 99% 的時(shí)間都處于待機(jī)模式，因此，待機(jī)或睡眠模式下的 I_Q 是電池壽命的限制因素。

優(yōu)化直流/直流轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)、電源開(kāi)關(guān)、電壓基準(zhǔn)和監(jiān)控器等電源管理構(gòu)塊以及電源管理器件，有助于降低能耗，延長(zhǎng)電池壽命。

下面是我們的三大低 I_Q 技術(shù)，可在不影響系統(tǒng)性能的情況下，延長(zhǎng)電池壽命和貨架期。

支持設(shè)計(jì)低功耗、常開(kāi)型電源

超低漏電工藝技術(shù)和新型控制拓?fù)?，可延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。在系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)實(shí)現(xiàn)超低 I_Q 可以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

在圖 1 中，德州儀器 TPS37-Q1  監(jiān)控器在執(zhí)行 EV 電池監(jiān)控時(shí)，I_Q 為典型值 1μA，同時(shí)支持最高 65V 的電源電壓，而電源空間和響應(yīng)時(shí)間均未受到影響。 

圖 1：借助德州儀器 TPS37-Q1 直接執(zhí)行 12V/48V 非電池電源電壓監(jiān)控

電池充電器集成電路 (IC)，例如芯片模式下 I_Q 為 10nA 的 德州儀器 BQ25155，可幫助確保電池在貨架上放置幾個(gè)月，甚至幾年，電量也不會(huì)耗盡。低功耗穩(wěn)壓器，例如具有超低 I_Q (25nA) 的德州儀器 TPS7A02，在運(yùn)輸模式下 I_Q 僅為 3nA，有助于大幅延長(zhǎng)電池在正常和低壓降運(yùn)行模式下的壽命。

實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)

快速喚醒比較器和零 I_Q 反饋控制可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)。智能偏置方案能夠在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，瞬時(shí)提升比較器的電壓，無(wú)需消耗更多的 I_Q 即可提高響應(yīng)速度。例如，在圖 2 中，I_Q 典型值為 275nA 的德州儀器 TPS62843 降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，其響應(yīng)時(shí)間 × I_Q/I_LOAD 的值比前幾代產(chǎn)品提升了三倍以上。此外，德州儀器 TPS37-Q1 的響應(yīng)時(shí)間和檢測(cè)時(shí)間也是業(yè)內(nèi)超短（典型值 8μs），比競(jìng)品快兩到十倍。 

圖 2：德州儀器TPS62843的負(fù)載瞬態(tài)數(shù)據(jù)是  1.2V_OUT、I_{OUT_MIN} = 0A、I_{OUT_MAX} = 300mA

縮小外形尺寸

電阻器和電容器的面積縮減技術(shù)，有助于集成到空間受限的應(yīng)用中，同時(shí)不影響靜態(tài)功率。在下一代納瓦級(jí)器件中，大部分的外部上拉或下拉電阻器和外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)都不再需要，而且外形尺寸更小，例如德州儀器 TPS7A02 便采用 640μm x 64μm Chip-Scale Package。

節(jié)省電路板面積的另一個(gè)方法是將更多功能集成到單個(gè)裸片上。這種集成使各個(gè)模塊（如監(jiān)控器、基準(zhǔn)系統(tǒng)、低壓降穩(wěn)壓器、電池充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器）能夠共享通用的構(gòu)建塊，同時(shí)減小總 I_Q 大小。德州儀器BQ25125 是采用 2.5 mm x 2.5 mm Wafer Chip-Scale Package 的電池充電器管理 IC，通過(guò) I²C 集成并能靈活控制多個(gè)低 I_Q 功能。設(shè)計(jì)人員因此能用整個(gè)電源管理系統(tǒng)為多個(gè)低功耗應(yīng)用供電。

結(jié)語(yǔ)

電池供電型應(yīng)用現(xiàn)已隨處可見(jiàn)，越來(lái)越多的人要求在不影響系統(tǒng)性能的同時(shí)降低 I_Q，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。但也不必氣餒。借助德州儀器基于超低 I_Q 開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品組合，無(wú)需費(fèi)心權(quán)衡性能和成本，即可在下一代電池供電型設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)超低功耗，更大限度地延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間和貨架期。