| 當今電子設計中最關(guān)鍵的挑戰之一是降低能耗。電源管理是許多設備的重要設計考慮因素，尤其是那些依賴(lài)電池運行的設備。因此，大多數系統使用各種電源管理操作模式。
待機、睡眠、省電、休眠和關(guān)機等功能對于設計人員降低功耗和延長(cháng)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。
可穿戴設備的出現使這項任務(wù)變得困難，部分原因是需要使用小電池來(lái)確保小因素。為適應更小、更輕和更強大的電子設備而使用更小電池的趨勢導致了一些妥協(xié)。物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和所有連接的設備增加了這種需求，需要在很長(cháng)一段時(shí)間和各種操作條件下的可靠操作模式。電池供電的系統需要仔細分區、緊湊的空間利用和有效使用可用電量。
這些設備的高效率首先在必要的待機階段長(cháng)時(shí)間表現出來(lái)。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載時(shí)的工作狀態(tài)。靜態(tài)電流通常與淬滅電流混淆，淬滅電流是設備關(guān)閉時(shí)吸收的電流，但電池仍連接到系統。
為什么要超低靜態(tài)電流?
雖然有功電流消耗是延長(cháng)電池壽命的重要因素，但電池本身的使用時(shí)間還取決于其他工作模式，特別是待機模式。待機階段的吸收電流 (I q ) 必須允許設備隨時(shí)喚醒以執行來(lái)自微控制器的請求。
I q是電子系統待機功耗的主要指數，是電源管理電路中使用的現代低功率 DC/DC 轉換器的重要設計參數。I q 可以評估不同的因素，例如小負載的功耗。
電源管理通常由穩壓器組成，例如增加或降低電壓的開(kāi)關(guān)穩壓器或具有低壓差 (LDO) 的穩壓器。有些涉及更多架構，甚至可能涉及充電器。降低 I q會(huì )提高效率，因此會(huì )通過(guò)消耗更少的電池電量來(lái)延長(cháng)電池壽命。
電源設計
電源管理電路包括多個(gè) DC/DC 解決方案，用于為傳感器和微控制器 (MCU) 等設備的子組件供電。低功耗 MCU 會(huì )影響整個(gè)系統的能效。MCU 有不同的形狀、尺寸和架構，但對于連接的物聯(lián)網(wǎng)設備，32 位 ARM 微控制器是一個(gè)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(kāi)發(fā)強大且可移植的軟件。
生產(chǎn)電子元件的制造工藝也會(huì )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(shí)減少消耗。設計人員需要通過(guò)高效的電源管理技術(shù)來(lái)平衡容量和尺寸。提高系統的能源效率是延長(cháng)電池壽命的常用方法。
電源管理部分涉及使用電壓監控器來(lái)確保整個(gè)電力系統正常工作。如果電壓中斷，監控解決方案必須發(fā)出錯誤信號，以便系統的其余部分可以正確關(guān)閉�？焖賳�(dòng)延遲允許在系統的其余部分啟動(dòng)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(dòng)復位和可編程復位時(shí)間延遲的TPS3840 Nanopower 高輸入電壓監控器提供了這種高精度的解決方案。
隨著(zhù)移動(dòng)設備產(chǎn)品組合的逐年增長(cháng)，鋰離子電池需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的充電周期特別小心，以最大限度地延長(cháng)電池壽命�？纱┐髟O備的電池充電具有挑戰性，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(kāi)關(guān)集成電池充電器 (IC)。它使電池容量提高 7%，并在運輸模式下將電池泄漏降低至 6%。該器件為更高效的醫療和個(gè)人電子應用(如助聽(tīng)器)提供設計。
直流/直流解決方案
為應用選擇合適的電源管理設備與 DC/DC 解決方案的架構相關(guān)聯(lián)。選擇 DC/DC 解決方案時(shí)應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(cháng))。理想情況是在 µA 水平上具有 >90% 的效率。另一個(gè)參數是即使在電池幾乎“沒(méi)電”的情況下也允許運行的輸入電壓范圍。
電源管理集成電路 (PMIC) 包括十幾個(gè) 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 (SoC) 中。穩壓器的兩大類(lèi)是線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 和開(kāi)關(guān)穩壓器。
由于開(kāi)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(huì )大量使用開(kāi)關(guān)電源。但是，與開(kāi)關(guān)穩壓器相比，LDO 的輸出電壓噪聲低、尺寸小、成本低，因此被使用。通常在實(shí)現非常低的 I q和同時(shí)滿(mǎn)足其他關(guān)鍵參數(例如出色的動(dòng)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(xiàn)性穩壓器TPS7A02，它聲稱(chēng)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(cháng)一倍，并聲稱(chēng)擁有一流的瞬態(tài)響應，可加快喚醒速度，提高應用響應時(shí)間和動(dòng)態(tài)性能。
此外，小尺寸使設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用中為他們的設計添加更多功能，或者通過(guò)使用更小的電路板來(lái)降低系統成本。
TPS7A02 用于低功耗應用，例如電網(wǎng)基礎設施、樓宇自動(dòng)化和醫療設備(圖 2)。通過(guò)在無(wú)線(xiàn)可視門(mén)鈴和安全攝像頭設計中使用該設備，工程師可以實(shí)現 24 個(gè)月或更長(cháng)時(shí)間的電池壽命(高達行業(yè)標準的四倍)。
“隨著(zhù)消費者希望減少充電或更換電池的頻率，對能夠延長(cháng)電池壽命、更高效率和更小尺寸的電子產(chǎn)品的需求越來(lái)越大。低靜態(tài)電流在幫助工程師應對所有這些挑戰方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，”德州儀器 (TI) 副總裁 Mike Beckman 說(shuō)�！斑@就是為什么德州儀器繼續專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)和提供創(chuàng )新的低Iq DC/DC 轉換器、LDO、電池管理系統和其他電源元件，以幫助工程師解決圍繞小型、低功耗、長(cháng)壽命的設計挑戰工業(yè)和個(gè)人電子產(chǎn)品�！�
TI 還提供TPS62840，這是一款超低功耗開(kāi)關(guān)穩壓器，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(xiàn)的工業(yè)和個(gè)人電子應用，包括窄帶物聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)基礎設施設備和可穿戴設備。
這兩款 IC 都在非常低的靜態(tài)電流下工作，提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案，有助于提高任何電池供電設備的電池壽命。靜態(tài)電流的顯著(zhù)降低可能會(huì )使應用程序運行幾秒鐘、幾分鐘、幾小時(shí)甚至幾天。 |
