作者：Nini Zhong

（Eileen Zhang 是本技術(shù)文章的合著(zhù)者。）

器件的靜態(tài)電流 (I_Q) 對于連續血糖監測器 (CGM) 等低功耗節能終端設備而言，是一個(gè)重要參數。集成電路在輕負載或空載條件下消耗的電流會(huì )顯著(zhù)影響待機模式下的功率損失，以及系統的總運行時(shí)間。

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

圖 1：電池系統負載情況

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

選擇低 I_Q 升壓轉換器來(lái)提升總效率

CGM 展示了為何最大程度降低 I_Q 對于延長(cháng)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)用于捕獲血糖讀數的發(fā)送器和一個(gè)用于通信和顯示的無(wú)線(xiàn)接收器。該發(fā)送器由一個(gè)紐扣電池、升壓轉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


圖 3：CGM 發(fā)送器的電源架構

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

圖 4：CGM 發(fā)送器中電流消耗隨時(shí)間的變化

公式 1 計算了電池在一個(gè)負載周期中提供的總功率為：


降低 I_Q 可直接提升待機模式下的效率。

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

圖 5：TPS61299 和 600nA I_Q 器件的效率曲線(xiàn)

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 負載應用的占空比小，高電流脈沖會(huì )產(chǎn)生遠高于放電電流的高浪涌電流尖峰，這對電池容量和電池使用壽命都會(huì )產(chǎn)生不良影響，尤其是在使用超級電容器時(shí)。同樣，ESR 會(huì )隨著(zhù)電池老化而增大，由電流尖峰導致的功率損失也會(huì )相應增加。

電池容量與放電電流成反比，電池使用壽命與容量具有線(xiàn)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 升壓轉換器系列提供從 5mA 到 1.5A 的輸入電流限值，可精確限制導通時(shí)間脈沖期間的放電電流，幫助延長(cháng)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)響應時(shí)間的器件

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

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

縮短t_tran 會(huì )大大縮短 PWM 時(shí)間 (t_PWM)，反過(guò)來(lái)增加消隱時(shí)間 (t_BLANK)，并使 I_Q 運行狀態(tài)時(shí)間更長(cháng)。假設可以將 t_tran 從 100µs 降至 10µs，且 t_sample 為 10µs、周期時(shí)間為 250µs，則可以將 t_BLANK 從 140µs 延長(cháng)至 230µs，如圖 8 所示。

圖 7：傳統 PWM 負載


圖 8：具有快速瞬態(tài)性能的 PWM 負載

在 t_BLANK 和縮短的 t_tran 時(shí)間內，通過(guò)維持低 I_Q 來(lái)實(shí)現高效率總是步履維艱。低 I_Q 器件的響應時(shí)間總是很長(cháng)，因為在 I_Q 非常低的情況下為內部寄生電容充電是具有挑戰性的。

然而，TPS61299 可實(shí)現更快的瞬態(tài)響應時(shí)間，且帶寬更寬。例如，在 3.6V 輸入和 5V 輸出條件下，輸出電流從 0mA 升高至 200mA 的典型穩定時(shí)間是 8µs，如圖 9 所示。

圖 9：TPS61299 的瞬態(tài)波形

結語(yǔ)

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

• 選擇低 I_Q 升壓轉換器來(lái)提升總效率。
• 限制電池的放電電流。
• 選擇具有快速瞬態(tài)響應時(shí)間的器件。