| 當(dāng)今電子設(shè)計中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一是降低能耗。電源管理是許多設(shè)備的重要設(shè)計考慮因素，尤其是那些依賴電池運(yùn)行的設(shè)備。因此，大多數(shù)系統(tǒng)使用各種電源管理操作模式。
待機(jī)、睡眠、省電、休眠和關(guān)機(jī)等功能對于設(shè)計人員降低功耗和延長電池壽命至關(guān)重要。在每種模式下，睡眠階段的電流很容易從幾 mA 變化到 nA。
可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)使這項任務(wù)變得困難，部分原因是需要使用小電池來確保小因素。為適應(yīng)更小、更輕和更強(qiáng)大的電子設(shè)備而使用更小電池的趨勢導(dǎo)致了一些妥協(xié)。物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和所有連接的設(shè)備增加了這種需求，需要在很長一段時間和各種操作條件下的可靠操作模式。電池供電的系統(tǒng)需要仔細(xì)分區(qū)、緊湊的空間利用和有效使用可用電量。
這些設(shè)備的高效率首先在必要的待機(jī)階段長時間表現(xiàn)出來。在這些情況下，能耗由不同于關(guān)斷電流的靜態(tài)電流 (I Q ) 定義。它是電路在不控制任何負(fù)載時的工作狀態(tài)。靜態(tài)電流通常與淬滅電流混淆，淬滅電流是設(shè)備關(guān)閉時吸收的電流，但電池仍連接到系統(tǒng)。
為什么要超低靜態(tài)電流?
雖然有功電流消耗是延長電池壽命的重要因素，但電池本身的使用時間還取決于其他工作模式，特別是待機(jī)模式。待機(jī)階段的吸收電流 (I q ) 必須允許設(shè)備隨時喚醒以執(zhí)行來自微控制器的請求。
I q是電子系統(tǒng)待機(jī)功耗的主要指數(shù)，是電源管理電路中使用的現(xiàn)代低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的重要設(shè)計參數(shù)。I q 可以評估不同的因素，例如小負(fù)載的功耗。
電源管理通常由穩(wěn)壓器組成，例如增加或降低電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器或具有低壓差 (LDO) 的穩(wěn)壓器。有些涉及更多架構(gòu)，甚至可能涉及充電器。降低 I q會提高效率，因此會通過消耗更少的電池電量來延長電池壽命。
電源設(shè)計
電源管理電路包括多個 DC/DC 解決方案，用于為傳感器和微控制器 (MCU) 等設(shè)備的子組件供電。低功耗 MCU 會影響整個系統(tǒng)的能效。MCU 有不同的形狀、尺寸和架構(gòu)，但對于連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，32 位 ARM 微控制器是一個不錯的選擇。這些 MCU 得到了多家制造商的良好支持，并且相對容易開發(fā)強(qiáng)大且可移植的軟件。
生產(chǎn)電子元件的制造工藝也會影響能源效率。例如，先進(jìn)的 CMOS 工藝有助于確保正確使用電池，同時減少消耗。設(shè)計人員需要通過高效的電源管理技術(shù)來平衡容量和尺寸。提高系統(tǒng)的能源效率是延長電池壽命的常用方法。
電源管理部分涉及使用電壓監(jiān)控器來確保整個電力系統(tǒng)正常工作。如果電壓中斷，監(jiān)控解決方案必須發(fā)出錯誤信號，以便系統(tǒng)的其余部分可以正確關(guān)閉。快速啟動延遲允許在系統(tǒng)的其余部分啟動之前檢測到電壓故障，從而在危險條件下提供最大的安全性。德州儀器 (TI) 具有手動復(fù)位和可編程復(fù)位時間延遲的TPS3840 Nanopower 高輸入電壓監(jiān)控器提供了這種高精度的解決方案。
隨著移動設(shè)備產(chǎn)品組合的逐年增長，鋰離子電池需要通過專門的充電周期特別小心，以最大限度地延長電池壽命。可穿戴設(shè)備的電池充電具有挑戰(zhàn)性，因為電池必須體積小、容量大。
TI還提供 BQ25619，這是一款支持 20 mA 終止電流的新型開關(guān)集成電池充電器 (IC)。它使電池容量提高 7%，并在運(yùn)輸模式下將電池泄漏降低至 6%。該器件為更高效的醫(yī)療和個人電子應(yīng)用(如助聽器)提供設(shè)計。
直流/直流解決方案
為應(yīng)用選擇合適的電源管理設(shè)備與 DC/DC 解決方案的架構(gòu)相關(guān)聯(lián)。選擇 DC/DC 解決方案時應(yīng)考慮的因素包括靜態(tài)電流(越低的值總是代表理想的選擇)和效率(百分比越高，電池壽命越長)。理想情況是在 µA 水平上具有 >90% 的效率。另一個參數(shù)是即使在電池幾乎“沒電”的情況下也允許運(yùn)行的輸入電壓范圍。
電源管理集成電路 (PMIC) 包括十幾個 LDO。LDO 還集成到微處理器、圖形處理單元 (GPU) 和許多其他片上系統(tǒng) (SoC) 中。穩(wěn)壓器的兩大類是線性穩(wěn)壓器 (LDO) 和開關(guān)穩(wěn)壓器。
由于開關(guān)電源在功率密度和整體效率方面具有優(yōu)勢，因此肯定會大量使用開關(guān)電源。但是，與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LDO 的輸出電壓噪聲低、尺寸小、成本低，因此被使用。通常在實現(xiàn)非常低的 I q和同時滿足其他關(guān)鍵參數(shù)(例如出色的動態(tài)性能、低輸出噪聲和高功率噪聲抑制)之間進(jìn)行折衷。
TI 推出了一款超低功耗、低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器TPS7A02，它聲稱業(yè)界最低的 I q低于 25 nA，是競爭超小型器件的十分之一。新控制器使工程師至少可以將電池壽命延長一倍，并聲稱擁有一流的瞬態(tài)響應(yīng)，可加快喚醒速度，提高應(yīng)用響應(yīng)時間和動態(tài)性能。
此外，小尺寸使設(shè)計人員能夠減小最終產(chǎn)品的尺寸，使其成為所有可穿戴應(yīng)用的最佳選擇。
TPS7A02 可以將解決方案尺寸縮小 70%，使工程師能夠在空間受限的應(yīng)用中為他們的設(shè)計添加更多功能，或者通過使用更小的電路板來降低系統(tǒng)成本。
TPS7A02 用于低功耗應(yīng)用，例如電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、樓宇自動化和醫(yī)療設(shè)備(圖 2)。通過在無線可視門鈴和安全攝像頭設(shè)計中使用該設(shè)備，工程師可以實現(xiàn) 24 個月或更長時間的電池壽命(高達(dá)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四倍)。
“隨著消費(fèi)者希望減少充電或更換電池的頻率，對能夠延長電池壽命、更高效率和更小尺寸的電子產(chǎn)品的需求越來越大。低靜態(tài)電流在幫助工程師應(yīng)對所有這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，”德州儀器 (TI) 副總裁 Mike Beckman 說。“這就是為什么德州儀器繼續(xù)專注于開發(fā)和提供創(chuàng)新的低Iq DC/DC 轉(zhuǎn)換器、LDO、電池管理系統(tǒng)和其他電源元件，以幫助工程師解決圍繞小型、低功耗、長壽命的設(shè)計挑戰(zhàn)工業(yè)和個人電子產(chǎn)品。”
TI 還提供TPS62840，這是一款超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器，工作 I Q為 60 nA。1.8 V 至 6.5 V的寬輸入電壓 (V IN ) 范圍支持各種電池化學(xué)成分和配置。它可用于許多電池供電、始終在線的工業(yè)和個人電子應(yīng)用，包括窄帶物聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和可穿戴設(shè)備。
這兩款 IC 都在非常低的靜態(tài)電流下工作，提供了一種簡單的解決方案，有助于提高任何電池供電設(shè)備的電池壽命。靜態(tài)電流的顯著降低可能會使應(yīng)用程序運(yùn)行幾秒鐘、幾分鐘、幾小時甚至幾天。 |
