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          技術頻道

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          20年不換電池的物聯網設備,靠的是什么?

          時間:2021-11-15 15:54:45來源:EEWORLD

          導語:?隨著電池驅動物聯網設備數量的增長,延長電池使用時間可以使消費者有更好的體驗。很多物聯網設備為了實現低功耗,盡量長期處于輕負載狀態。作為電源管理重要的供應商之一,德州儀器(TI)提出了降低電源待機功耗的口號,并推出了一系列新品。

            為此,TI一直在強化產品在Iq這一指標(靜態電流)上的改善,“靜態電流”是在最小狀態下“開啟”時使用的標稱(平均)電流,例如放大器 IC 開啟并準備工作,但當前沒有放大任何東西;蛘呃珉娫崔D換器空載工作狀態,包括電源穩壓器內部,電壓基準、誤差放大器、輸出分壓器和保護電路等動作都需要消耗電流。和“關斷電流”不同,靜態電流一定是在工作中。同時也和漏電流不同之處在于,漏電流主要是指引腳上的泄漏電流。

            TI升壓和升降壓產品線產品市場經理鄒鵬表示,低Iq除了可以延長物聯網設備的待機壽命之外,還可以實現更長的貨架期體驗。貨架期是指產品未發售,仍在倉庫中保管期間,由于產品連接至電源,因此很有可能因為電源泄露,造成過多的放電,從而用戶拿到手里的第一件事不是直接開機,而是充電或者更換電池,更低Iq則可盡量避免此種尷尬的發生。

            TI如何降低芯片的Iq

            低Iq的好處顯而易見,但也會帶來一系列設計挑戰,為此鄒鵬介紹道,TI主要通過三方面進行。

            第一,是持續改善工藝。利用TI強大的超低漏電工藝和控制拓撲,使晶體管漏電更低。

            第二,是開發新型的電路結構實現快速響應。對于電源尤其是DC-DC,響應速度是很重要的一個指標,因為需要對不同的負載進行瞬間響應。但電路響應速度越快,損耗也會越大。TI創新性的利用了快速喚醒比較器和IQ反饋控制,可在不影響低功耗性能的情況下,實現快速動態響應。

            第三,是繼續保持小尺寸,這既包括芯片本身,也包括整個系統的尺寸。隨著為了實現低功耗電路的附加電路越來越多,從而導致芯片的面積增大。TI利用電阻器和電容器的面積縮減技術,非常有助于集中到空間受限的應用中,同時不影響整個靜態功耗。

            TI近年來一直在開發更低Iq的電源管理芯片,且均具有非常明顯的市場針對性,這也是TI一直以來的開發思路。TI升壓和升降壓產品線總經理嚴紅輝表示,TI團隊在產品開發的前期就同業內客戶保持良好的溝通,從而針對共性需求做出更有針對性、可顯著解決客戶痛點的產品——TPS61904就是一例。

            TPS61094——超級電容管理功能的低Iq芯片

            超級電容應用前景向好

            表計是物聯網應用的重要市場之一。智能電表記錄消耗量,然后與數據中心或終端客戶通信以展示并記錄這些數值。智能電表由主電池供電,需要支持長達10年甚至20年的生命周期。一般而言,對于區域覆蓋廣泛的表計來說,更換電池的運營成本極高,因此需要避免。此外,表計大部分操作都處在輕度負載區,只有在數據傳輸時才需要高脈沖電流負載。

            以流行的NB-IoT技術為例,圖表顯示了不同 NB-IoT 操作模式下隨時間推移的電流消耗。在數據傳送模式下峰值為 310mA,持續1.32s,負載在不同的操作模式下也顯著變化。整個過程的平均電流消耗為30mA,持續 80s。

          NB-IoT操作模式的電流及時間消耗

          NB-IoT操作模式的電流及時間消耗

            為此,智能電表電池的選型通常是最關鍵的一步,關系到整個電表的待機功耗和功率架構。電池的種類非常之多,其特性也完全不同,但是大致意義上來講,存儲密度更大的電池,不能支持高脈沖,而高脈沖電池往往密度不夠,只能滿足瞬時要求。

            對于無線表計市場來說,傳統做法是使用鋰SOCL2電池作為主電池,采用混合層電容器封裝技術的LiSOCL2支持瞬時高脈沖工作。但是HLC也存在著幾個不足:首先是無法控制放電電流,因此不能工作在最大容量點;其次是在低溫環境下特性較差,必須選擇尺寸和價格都更高的HLC電池;第三則是如果遇到還無法滿足的瞬態電流時,就需要結合主電池共同使用,但此時的瞬時大電流會對主電池的壽命帶來部分影響。

            目前,業界提出了一種更好的方案,就是采用超級電容來替換HLC,從而應對無線發送時的突發響應。

            超級電容除了可以支持較大峰值負載之外,還可以在遭遇系統斷電時提供備用電源功能,并且價格便宜,且產能及可靠性都有所保障。因此,目前超級電容已應用在包括表計、便攜醫療設備以及POS機等場景中。比如血糖儀等往往采用紐扣電池,供電能力較弱,因此客戶需要一個超級電容支持高負載模式。此外在諸如能量采集系統等應用中,也可能會利用到超級電容產品。

          單電池供電、使用HLC和使用超級電容器相比,各有優勢

          如上表所示,單電池供電、使用HLC和使用超級電容器相比,各有優勢,但使用超級電容器的方案更具成本優勢。

            超級電容需要一系列電源管理功能

            超級電容的充放電需要有一系列的電路管理,包括充電路徑、放電路徑以及電源路徑管理,這增加了電路設計的復雜性。TPS61094是一款超級電容充放電一體化雙向降壓升壓轉換器,它具有高度集成的特性,外部僅需少數無源器件,并且其Iq僅有60nA,其簡單的設計可以更好地滿足客戶對于超級電容器方案的接受度。根據TI的仿真及實際用戶設計結果參考,并結合考慮超級電容與HLC相比的成本,該方案可以提高20%的系統待機時間,減少50%的組件并顯著降低系統成本。

          超級電容器

            如圖所示,當系統電源接通時,TPS61094 進入 Buck_on 模式:打開旁路場效應晶體管 (FET),為超級電容器提供 500mA 的恒定電流,并在超級電容器兩端電壓為 2.5V 時停止充電。VSYS 直接為 VOUT 供電。當斷電導致 VSYS 下降時,TPS61094 會自動進入 Boost_on 模式:關閉旁路 FET,并通過超級電容器中存儲的電荷為 VOUT 供電。

            鄒鵬總結道,TPS61094有三項的關鍵的優勢:分別是高集成度、高功率密度以及超低的Iq。

            與同類競品的升壓轉換器相比,TPS61904具有2A的電感峰值電流,是其他競品的兩倍?梢詽M足NB-IoT、藍牙、W-Mbus等多種無線技術的峰值電流要求

            此外,鄒鵬還表示,滿電狀態下超級電容的電壓為2.7V,但是最低可以支持0.8V左右的放電電壓。很多用戶使用時習慣采用兩節電容串聯,然后通過LDO降壓為系統供電,負載MCU的工作電壓為3.3V,這樣超級電容無法被完全利用。而TPS61094采用了升壓電路,僅憑一顆超級電容就可以實現3.3V的輸出,可以更好地利用超級電容里的能量,從而延長壽命并節省成本。

            針對備用電源應用,響應速度是一項重要指標,TPS61094通過監測輸出端的dv/dt 斜率,并在任一給定時刻調整其調節行為以優化瞬態性能。這樣可以快速地檢測輸出電壓降,同時保持低 IQ。

            此外,由于超級電容非常脆弱,電壓過高可導致電解液分解或電容器發熱等現象,因此充電必須保證高精度及可靠性,TPS61904可以在-40℃至150℃的全溫度范圍內,實現±2%的精度,充電輸出電流可設置從2.5mA 至 600mA,并且具有包括輸出短路保護及熱關斷保護在內的保護系統。

            更靈活的模式設置

            TPS61094可以自動實現超級電容的充放電管理切換,無需外圍檢測電路或者MCU進行控制,因此可靠性更高功耗更低,而且更簡單易用。

            但鄒鵬也強調,該芯片是可配置的,以滿足用戶的不同場景需求,同時也可以應對超級電容自放電等弊端。

          強制降壓模式

            在強制降壓模式下,TPS61094 將器件的輸出直接連接到輸入,而降壓轉換器則輸出一個設置恒定電流,為備用超級電容充電。當超級電容器充電到預設終止電壓時,降壓轉換器停止充電。當超級電容電壓下降到低于設置電壓 75 mV 時,降壓轉換器再次開始為超級電容充電。

            在強制旁路模式下,TPS61094 打開旁路MOSFET,輸出電壓等于輸入電壓。在此模式下,TPS61094 的 IQ 約為 4nA。

            而在真關斷模式下,TPS61094 可以斷開負載與電池輸入引腳及超級電容引腳的連接。

            此外該器件還支持真關斷模式,完全切斷負載與輸入端的連接。

            小結

            除了TPS61904之外,TI也推出了多種超級電容管理方案,以滿足不同功耗,不同電池場景的需求。每個解決方案都有優缺點。比如使用分立式電路為超級電容器充電,并使用 TPS61022 升壓轉換器在電網斷電時將超級電容器電壓升至更高的系統電壓。TPS61022 輸出電流能力高于 TPS61094 解決方案,但需要更多外部元件。

            另一種是具有電流限制和主動電池均衡功能的超級電容器備用電源參考設計,它使用 TPS63802 降壓/升壓轉換器作為超級電容器充電器和穩壓器,并省去了額外的分立式充電電路,但仍需要額外的外部元件來實現電源 ORing、充電電流限制和超級電容器終端電壓設置。

          多種應對超級電容充放電管理

          TI擁有多種應對超級電容充放電管理的解決方案

            針對汽車的低Iq方案

            一輛汽車放置很久的話,就不容易打著火,主要原因很多車載設備在汽車不啟動的時候并沒有關閉,而是處于待機狀態,導致電瓶電量耗光。因此對于汽車電源系統來說,超低功耗的待機同樣很重要,可以極大提升用戶體驗。TI也將低Iq技術用于多款汽車芯片上,從而延長電源的使用壽命。

            比如TI新推出的LMR43620和LM43620-Q1,3V 至 36V、2A同步降壓穩壓器,Iq在150℃下依然可以小于3μA,在1mA輕負載情況下仍可實現85%的效率。LMR43620-Q1控制架構和功能集經過優化,可實現超小型解決方案尺寸。該器件使用峰值電流模式控制,可更大程度降低輸出電容。LMR436x0-Q1利用假隨機擴頻、低EMIHotRod封裝和經過優化的引腳排列,更大程度地減小了輸入濾波器尺寸。

            另外一款則是TI推出的低Iq汽車級理想二極管LM74720,相比標準二極管或P-FET而言實現了更低功耗和更低成本,其Iq僅為35μA。LM74720-Q1 理想二極管控制器可驅動和控制外部背對背 N 溝道 MOSFET,從而模擬具有電源路徑開/關控制和過壓保護功能的理想二極管整流器。該產品具有快速響應特性,具有快速導通和關斷比較器的強大升壓穩壓器,可以支持200KHz有源整流,從而對系統實現高級別系統保護。

            總結

            待機Iq長期以來一直是一個問題,但長期以來并不受到重視,主要原因無外乎相對于其他系統損耗或者待機功耗而言,這部分并不突出。而隨著電池設備的越來越多,處理器等功耗也越來越低,業界開始逐步意識到延長電池壽命期和貨架期與Iq息息相關。

            TI通過突破性的工藝和架構設計,使低Iq特性廣泛應用于各種產品中,如直流/直流轉換器、電源開關、低壓降穩壓器 (LDO) 、監控器、理想二極管等電源管理系統的不同組件中,并廣泛涵蓋從工業儀表應用、汽車傳感器和個人可穿戴設備等設備。

          標簽: 物聯網

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