【導讀】在工業(yè)環(huán)境下，許多產(chǎn)品都是靜態(tài)監(jiān)控狀態(tài)，每隔數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時才采集監(jiān)測一次數(shù)據(jù)，所以理想的狀態(tài)就是使得相同的電池產(chǎn)品能夠獲得加倍的待機時長、減少充電次數(shù)，甚至是能夠達到完全不需要更換電池的程度。那么如何才能達到如此的狀態(tài)？
近日國內廠商大動作不斷，從華為發(fā)布的“AI訓練集群Atlas 900”，再到阿里巴巴旗下平頭哥發(fā)布的 “含光800”及 “SoC芯片設計平臺‘無劍’”，無疑都指向AIoT和自動駕駛等領域。然而僅僅擁有夯實的神經(jīng)網(wǎng)絡芯片基礎是遠遠不夠的，電源這一方面是更容易被忽略的……
現(xiàn)如今無論是家用產(chǎn)品還是工業(yè)產(chǎn)品，都逐漸靠向無線、便攜方面發(fā)展，然而這種設備的電池是需要頻繁充電的，并且使用壽命也非常有限，繁瑣的充電與電池更換一方面使得維護變得愈發(fā)困難，另一方面也相對增大了維護成本和更換成本。
值得一提的是，尤其是工業(yè)環(huán)境下，許多產(chǎn)品都是靜態(tài)監(jiān)控狀態(tài)，每隔數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時才采集監(jiān)測一次數(shù)據(jù)，所以理想的狀態(tài)就是使得相同的電池產(chǎn)品能夠獲得加倍的待機時長、減少充電次數(shù)，甚至是能夠達到完全不需要更換電池的程度。
那么如何才能達到如此的狀態(tài)？這就不得不提到靜態(tài)電流。2019年9月18日，德州儀器（TI）于北京召開了題為“超低靜態(tài)電流(IQ)的電源管理——解決當今及未來的設計挑戰(zhàn): 有效延長電池和系統(tǒng)壽命”的發(fā)布研討會，會上德州儀器電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品線經(jīng)理王世斌展示了其在超低靜態(tài)電流（IQ）的四款產(chǎn)品。
圖1：德州儀器電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品線經(jīng)理王世斌
低IQ帶來的想象力是無窮的
所謂靜態(tài)電流（IQ）即是負載電流之外部分的電流和電源芯片自身消耗的電流，而除去靜態(tài)電流的系統(tǒng)就稱之為最小系統(tǒng)。為順應電子設備微型化的趨勢，就需要更長的電池使用壽命。為滿足該需求，就需要更低的靜態(tài)電流 (IQ)。
王世斌表示，低IQ在延長電池壽命與儲存時間、實現(xiàn)更多功能、延長系統(tǒng)使用壽命以及降低系統(tǒng)成本方面發(fā)揮著關鍵作用。
王世斌現(xiàn)場為記者介紹，一方面，使用電池運行的電源系統(tǒng)需要低待機功耗以延長電池壽命，并提供更好的用戶體驗；另一方面，非攜帶式電子設備需要更精確的產(chǎn)品服務結束周期偵測 (end-ofservice detection)和更大的待機電源效率，正因如此所以驅動著低IQ的需求。
通過靜態(tài)電流的降低，待機時間將更長，充電次數(shù)也隨之減少，這可以為整個產(chǎn)品帶來更少的人力成本、系統(tǒng)整體成本和維修成本。另外，值得一提的是在靜態(tài)電流做到足夠小的情況，工程可以擁有更多的發(fā)揮空間，諸如將多次充電的電池更換為一次性電池，既讓靜態(tài)電流更下降了一步，甚至可以在產(chǎn)品更新?lián)Q代前完全無需更換電池。
“德州儀器一直致力于電池方面的發(fā)展，同時也處在業(yè)界的領先地位”，王世斌表示，TI電源組中可以分為六種不同類型的相關產(chǎn)品，其中四個方面則與本次討論的IQ有關。
圖2：TI電源的6種不同類型產(chǎn)品和4個靜態(tài)電流相關產(chǎn)品
“電池使用時長和壽命是有限的，一般來說鋰電池可充電500次并需要一星期甚至一天充一次電，而通過TI的低IQ系列產(chǎn)品芯片，可以讓充電時間延長至兩天甚至是兩星期”，王世斌如是說。
TPS7A02：適用于瞬態(tài)場景的線性穩(wěn)壓器（LDO）
這款于9月18日發(fā)布的線性穩(wěn)壓器LDO，作為業(yè)界比較領先的LDO，靜態(tài)電流低至25nA，比前一代耗能降低大約40倍。新型穩(wěn)壓器在壓降的條件下 也能在輕負載時實現(xiàn)超低 IQ 控制。
圖3：TI線性穩(wěn)壓器（LDO）產(chǎn)品歷史
另外，該款LDO更具誘惑的優(yōu)勢則是擁有著超小的體積，DSBGA封裝尺寸只有0.65mm×0.65mm，可幫助工程師將解決方案尺寸縮小70%。對于1至50 mA 的負載瞬態(tài)，能夠在5 us以內響應，僅為競品器件瞬態(tài)響應時間的一半。
王世斌現(xiàn)場介紹時表示，如今TPS7A02將靜態(tài)電流做到了25nA，而這并不意味著結束，根據(jù)市場的不斷變化和需求，未來該系列產(chǎn)品的靜態(tài)電流也將越做越小。
圖4：TPS7A02 LDO的優(yōu)點
此款芯片在應用上也非常廣泛，諸如電網(wǎng)基礎設施中由于電表中多為一次性電池，而且體積普遍較小，一般擁有一定壽命周期，由于功耗太高相隔一段時間就需要更換，應用這款芯片甚至可以讓電池耗電比LDO更高，在生命周期內無需更換電池，既節(jié)省了人力也節(jié)省了成本。
另外在家居或自動化場景下，例如監(jiān)控攝像系統(tǒng)，一般處于待機狀態(tài)，只有在檢測到移動時才會錄像，這種場景下對于自身的靜態(tài)電流的要求則更大，所以此款芯片也可以大大增強了電池壽命，減少成本。
當然在醫(yī)療方面和可穿戴設備上，同樣如此，靜態(tài)電流對于整體電池的影響是非常大的，正因TPS7A02兼具25nA的超低 IQ和快速瞬時回應，有助于提高系統(tǒng)壽命及性能，所以此款產(chǎn)品的應用是非常廣泛的。
TPS62840：可滿足始終開啟的應用的需求
這款于7月15日發(fā)布的開關穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流大約為60nA，比前一代耗能降低大約6倍，并且尺寸從2mm x 3mm降低至1.5mm x 2mm?？赡軙腥艘蓡枺热籘PS7A02僅有25nA為何還要應用60nA的TPS62840，究其根本來說，該款產(chǎn)品對于長時間處于開啟的動態(tài)設備來說，會具有更好的性能，TPS7A02則更適用于瞬態(tài)場景。
圖5：TI降壓轉換器產(chǎn)品歷史
TPS62840具有非常多的優(yōu)點，首先，可以延長電池運行時間，在 1-µA 負載下，可提供80% 的超高輕負載效率，幫助設計人員延長系統(tǒng)的電池使用壽命。
第二，在性能方面，開關噪音過大時，會對ADC一些產(chǎn)能位置構成影響，該款芯片在此方面較為特色的功能便是在需要采集敏感數(shù)據(jù)時進入可選模式或停止模式，能夠改善噪聲性能并在數(shù)據(jù)傳輸過程中減少信號失真。
第三，擁有更廣的應用范圍，輸入電壓范圍為1.8VIN – 6.5 VIN，適用于多種電池化學應用和配置。
第四，工程師可以利用新型開關穩(wěn)壓器減少一半的電池使用數(shù)量，或者在設計中使用更小的電池。
圖6：TPS62840開關穩(wěn)壓器的優(yōu)點
王世斌表示，TPS62840在超輕負載下的效率較同類型器件高出30%，適用于各類由電池供電的工業(yè)和個人電子產(chǎn)品應用。特別是在采集數(shù)據(jù)較為頻繁或長時間工作的場景下，TPS62840具有獨特的優(yōu)勢，而在瞬間狀態(tài)比較大的場景下，TPS7A02則更加合適。
當然，TI也會提供該款產(chǎn)品的相關參考設計，特別是針對鋰二氧化錳(LiMnO2) 電池進行了優(yōu)化，擁有適用物聯(lián)網(wǎng)相關應用的窄頻無線模塊供電的參考設計，支持采用LiMnO2電池的智能流量表等三種不同的電源架構。
TPS3840：納米級供電與高精度的監(jiān)控器
這款于2019年第一季度推出的開關穩(wěn)壓器，是適用于納米級供電設計的一系列高輸入電壓、高效監(jiān)控器。一般來說，監(jiān)控器大部分時間都是不工作的，只有在系統(tǒng)異常時才會獲取復位信號，因此這款產(chǎn)品擁有低IQ的意義就更加重要了。
圖7：高輸入電壓、高效的監(jiān)控器TPS3840
TPS3840擁有納米級的功耗與超高精準度，IQ僅為350nA，在保證了整套監(jiān)控過程中的安全可靠以外，可延長電池使用壽命。
圖8：TPS3840電壓監(jiān)控器的優(yōu)點
在參考設計方面，TI提供適用于保護繼電器模塊且具有診斷功能的非隔離式電源架構參考設計，展示了非隔離電源架構支持具有模擬輸入/輸出的繼電器以及由5-、12-或 24-V DC輸入生成的通訊模組。
另外，采用獨立轉換器ADC的高精確度分相CT電表參考設計，借助高性能、多通道模擬數(shù)字轉換器可實現(xiàn)0.1級分相電能量測。
正因為TPS3840擁有高精準度的監(jiān)控并且擁有納米級的功耗，所以特別適用于電網(wǎng)基礎設施、樓宇自動化、電子銷售終端（EPOS）和便攜式電子設備。特別是EPOS在刷卡或掃描二維碼時會與中央系統(tǒng)進行通訊確認用戶身份，如果在系統(tǒng)中出現(xiàn)異常交易就會取消。在此過程中就涉及到了復位，因此復位芯片是至關重要。
BQ25619：超低截止電流的開關充電器
近年來，隨著功耗的逐漸降低，越來越多的產(chǎn)品的電池也越做越小，然而在此過程中如果截止電流仍然保持過去的水準，那么電池電量是不能充到理想的狀態(tài)的，而這部分的電池電量就可以看作電池更多的使用時間，從而減少充電次數(shù)。所以，這款9月6日推出的業(yè)界更低截止電流的開關充電器，在延長電池使用壽命上具有獨特的優(yōu)勢。據(jù)王世斌介紹，該款可讓電池容量提高7%左右。
圖9：BQ25619開關充電器的優(yōu)點
低截止電流有助于醫(yī)療和個人電子產(chǎn)品應用，如助聽器、耳塞和無線充電盒。隨著電池容量的增加，以及可設定充電計時器的輔助，使耳塞和充電盒的電池運行時間延長，大幅延長電池壽命，并減少使用時的充電次數(shù)。
設計者可以更快上手
TI在電源市場的占有情況一直是領先的，這四款產(chǎn)品對于電源設計工程師來說，在緊湊的空間內兼顧高精準和更長的電池壽命將帶來無限的創(chuàng)造性。過去在靜態(tài)電流較高時，或許會花費許多時間進行優(yōu)化調試，而應用這幾款產(chǎn)品可以節(jié)省很多時間和資源。
這四款產(chǎn)品在業(yè)界已是非常領先的水平，而隨著市場的不斷更新，客戶需求下，更低IQ的產(chǎn)品也將不斷涌現(xiàn)。
值得一提的是，在客戶支持上，TI不論在線上還是線下均擁有詳細的電源管理資料，參考設計、培訓將簡化工程師從入門到專家的過程。
來源：21ic電子網(wǎng) 付斌
