物联网设备想"一辈子"不换电池有这么几个绝招

2019-09-29 12:12:07 来源: EEFOCUS
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在物联网领域,电池续航是一个大问题,产品越来越小型化,但是电池体量越来越大,业界一直在思考:如何让电池更小,或者在一些应用场景里不需要电池。"电池的使用寿命有限,一般一款锂电池可以充放电500次,对于自耗电来说,如果静态电流更小,设备待机时间延长,电池寿命也会延长。"德州仪器电池管理系统产品线经理王世斌分析,"如果我们把静态电流做得非常低,可以把多次充电电池替换为一次性电池,这样的好处是,不再需要充电,另外,如果一次性电池自耗电也更低,设备在几年内都不需要去更换电池,系统维护成本也随之降低。"

在某些非携带应用场景里,如果通过降低静态电流,原来的一次性电池可以从现在的两年寿面延长到十年,对于那些十年生命周期的设备可以说一辈子都不用换电池。TI一直致力于电池技术的研究,其电源组里有六款产品,包括降压DC/DC开关稳压器,升压、多通道/相位DC/DC转换器,电源开关,线性电源,高压电源,电池管理。

德州仪器电池管理系统产品线经理王世斌

TI在超低功耗方面一直持续研发,进行技术创新,其中有四款低静态电流产品值得工程师来关注。

线性稳压器TPS7A02:超低静态电流、超快瞬态响应

TPS7A02 是一款超小型、超低静态电流低压降线性稳压器 (LDO),可提供 200mA 的电流以及出色的瞬态性能。其具有超低IQ(25nA),专为将极低静态电流作为关键参数的应用而设计。此器件即使在压降模式下也能保持低IQ消耗,以进一步延长电池寿命。在关断模式或禁用模式下,该器件消耗极低 (3nA IQ),有助于延长电池货架期。TPS7A02输出电压范围为0.8V至5.0V,步长为50mV,以支持更低的现代微控制器 (MCU) 内核电压。

王世斌介绍,"TPS7A02的静态电流大概是25nA,比前一代耗能降低了大概40倍。换句话说,以前用户用这个电池,系统需要10天充一次电,现在用了新产品,可能400天才要充一次电,单颗芯片实现了40倍的效益;另外,它对瞬态负载响应非常快,50毫安的负载在5us内就可以响应。响应速度很关键,如果一个LDO响应不快,一个负载来了以后,可能就会崩溃,也起不到线性稳压器的作用。封装是0.65mm×0.65mm,比以前小了70%,这意味着可以适应各种场景里,比如电网基础设施、楼宇自动化、医疗、便携电子设备。"

开关稳压器TPS62840:可以满足始终开启

TPS62840的工作静态电流(IQ)可达到60 nA,仅为业界类似器件的1/3。它可在1-µA负载下可提供80%的极高轻载效率,从而使设计人员能够延长其系统的电池使用寿命,或使用更少或更小的电池来缩小其整体电源解决方案尺寸并降低成本。此外,新型DC/DC转换器的输入电压(VIN)范围较宽,为1.8 V至6.5 V,能够支持各种化学电池和配置。

前一代产品的静态电流是360nA,这一代是65nA,可见,,新一代产品的静态电流低了6倍。可能用户觉得这一款静态电流比LDO高,王世斌的解释是,"开关稳压器需要在开关键里不断更新上管和下管,所以静态电流一般比LDO较高;而且这款产品的风转更小了,以前是6毫米,现在缩小到3毫米;效率对DC/DC非常重要,这款芯片在1vA时效率可以做到80%,如果在更高负载的情况下,比如300mA时能做到超过90%甚至95%。"

在芯片里,一般开关电源都会遇到在开关时噪音大的问题,这会对ADC一些产能位置构成影响。王世斌还分享了TPS62840的另一特色,"这款芯片有两个模式,一个是停止模式,即当用户要采集特别敏感数据时,可以把开关电源稍微停下来,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,当然时间非常短暂,因为是靠外挂的电容,但是非常静态的,噪音等级跟LDO已经非常接近;二是,TPS62840的芯片数值也比较广,虽然它的4号电很低,能够达到6.5V,因为有些是锂电池4.2V-4.5V,有些double A的一次性电池是1.2V,可以用3节、4节,因此4V多,5V、6V都可以用到,一颗芯片可以应用不同的系统。"

对比发现,TPS7A02的静态电流是25nA,TPS62840的静态电流是65nA,用户肯定会选择25nA?其实不然。王世斌解释,"关键在于工作时间长短,在电源效率比较高,客户需要估算,设备处于静态时间多长?动态时间多长?静态时间长,显然用LDO比较好;动态时间长,DC/DC更好。"

TPS3840:专为高输入电压、高效监控器打造

监控器一般的工作次数很少,只有在系统异常的时候,才会发出复位信号。这种产品大部分时间都在休眠,因此需要非常低的自耗电。在监控过程中,里面配置的比较器或者参考电压,会对过电和低压做保护,如果输入过高或者过低,会对系统进行复位,因此,这种自耗电是必须的。但是由于这种自耗电在正常工作时看不到实际操作价值,所以自耗电越低越好。

TI的TPS3840是专门为监控设备而设计的产品,具有宽输入范围、低功耗、高可靠性、可完全配置的优点。宽输入电压范围允许在不使用外部组件的情况下监控 9V 电压轨或电池,在使用外部电阻器的情况下监控 24V 电压轨。毫微级 Iq 可以在低功耗应用中延长电池寿命,并在使用外部电阻器时最大限度降低电流消耗。快速启动延迟允许在系统的其余部分上电之前检测电压故障,因此可以在危险的启动故障状况下实现最高的安全性。低上电复位电压 (VPOR) 可防止错误复位、过早启用或开启下一个器件,并能够在上电和断电期间正确控制晶体管。

关于应用,在电网基础设施中,我们需要对电网做监控,而且需要很多监控芯片,楼宇自动化设备大部分时间都在待机,降低静态电流可以达到节能环保的目标。电子销售终端机在刷卡或者刷二维码时,需要和中央系统进行通讯,认证终端客户的身份,如果系统出现异常,交易便会取消,因此复位芯片非常重要,它可以监控系统异常,进行复位,取消交易,使金融交易环境比较稳定。

BQ25619:延长电池使用寿命

不管25nA、50nA,还是350nA,这都是nA级电流。这些产品带来的优势是,设备原来可能需要大容量电池,现在通过降低静态电流换成小容量电池即可,甚至不用换电池,但是还有一些设备一定要充电,需要高效率、高精度的充电器,因此TI推出了BQ25619

业界有两个趋势,第一是随着功耗的增加而增加电池容量,第二是,在同样的待机时间里,把电池做得更小更便宜。电池做小产生另外的问题,如果1安培的电池,截止电流10%,100mA就可以,如果电池做得很小,到200mA,截止电流要做到20mA。如果截止电流还是100mA的,电池就难以充满,BQ25619的截止电流是20mA,从而保证低功耗电池可以充满电,在充电和截止精确度之间支持更长的电池寿命,电池容量提高7%。

BQ25619被定义为高度集成型 1.5A 开关模式电池充电管理和系统电源路径管理器件,适用于单节锂离子电池和锂聚合物电池的。低阻抗电源路径对开关模式运行效率进行了优化,缩短了电池充电时间并延长了放电阶段的电池运行时间。BQ25619 可以通过适配器沿直接路径为可穿戴附件充电,也可以通过电池以升压模式为其充电,并使用 PMID_GOOD 引脚控制外部 PMOS FET负载开关。

BQ25619还为包括可穿戴设备和耳机充电盒在内的各种应用提供快速充电功能并提供高输入电压支持。其低阻抗电源路径对开关模式运行效率进行了优化,缩短了电池充电时间并延长了放电阶段的电池运行时间。其输入电压和电流调节、低终止电流和电池远程检测可以为电池提供最大的充电功率。该解决方案在系统和电池之间高度集成输入反向阻断 FET(RBFET,Q1)、高侧开关 FET(HSFET,Q2)、低侧开关 FET(LSFET,Q3)以及电池 FET(BATFET、Q4)。它还集成了自举二极管以进行高侧栅极驱动,从而简化系统设计。

除了以上的低功耗芯片产品,王世斌还表示,TI会提供相应的参考解决方案以及教学视频,方便用户进行产品设计。

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郭云云
郭云云

beplay手机登录副主编,网名:咖啡不解困。在电子产业圈混迹8载,喜欢听大咖讲产业故事,喜欢听牛人分析产业趋势,也喜欢发表自己的"正理邪说",时刻保持对所见所得的思考。

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