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20年不换电池的物联网设备,靠的是什么?

时间:2021-11-15 15:54:45来源:EEWORLD

导语:​随着电池驱动物联网设备数量的增长,延长电池使用时间可以使消费者有更好的体验。很多物联网设备为了实现低功耗,尽量长期处于轻负载状态。作为电源管理重要的供应商之一,德州仪器(TI)提出了降低电源待机功耗的口号,并推出了一系列新品。

  为此,TI一直在强化产品在Iq这一指标(静态电流)上的改善,“静态电流”是在最小状态下“开启”时使用的标称(平均)电流,例如放大器 IC 开启并准备工作,但当前没有放大任何东西。或者例如电源转换器空载工作状态,包括电源稳压器内部,电压基准、误差放大器、输出分压器和保护电路等动作都需要消耗电流。和“关断电流”不同,静态电流一定是在工作中。同时也和漏电流不同之处在于,漏电流主要是指引脚上的泄漏电流。

  TI升压和升降压产品线产品市场经理邹鹏表示,低Iq除了可以延长物联网设备的待机寿命之外,还可以实现更长的货架期体验。货架期是指产品未发售,仍在仓库中保管期间,由于产品连接至电源,因此很有可能因为电源泄露,造成过多的放电,从而用户拿到手里的第一件事不是直接开机,而是充电或者更换电池,更低Iq则可尽量避免此种尴尬的发生。

  TI如何降低芯片的Iq

  低Iq的好处显而易见,但也会带来一系列设计挑战,为此邹鹏介绍道,TI主要通过三方面进行。

  第一,是持续改善工艺。利用TI强大的超低漏电工艺和控制拓扑,使晶体管漏电更低。

  第二,是开发新型的电路结构实现快速响应。对于电源尤其是DC-DC,响应速度是很重要的一个指标,因为需要对不同的负载进行瞬间响应。但电路响应速度越快,损耗也会越大。TI创新性的利用了快速唤醒比较器和IQ反馈控制,可在不影响低功耗性能的情况下,实现快速动态响应。

  第三,是继续保持小尺寸,这既包括芯片本身,也包括整个系统的尺寸。随着为了实现低功耗电路的附加电路越来越多,从而导致芯片的面积增大。TI利用电阻器和电容器的面积缩减技术,非常有助于集中到空间受限的应用中,同时不影响整个静态功耗。

  TI近年来一直在开发更低Iq的电源管理芯片,且均具有非常明显的市场针对性,这也是TI一直以来的开发思路。TI升压和升降压产品线总经理严红辉表示,TI团队在产品开发的前期就同业内客户保持良好的沟通,从而针对共性需求做出更有针对性、可显著解决客户痛点的产品——TPS61904就是一例。

  TPS61094——超级电容管理功能的低Iq芯片

  超级电容应用前景向好

  表计是物联网应用的重要市场之一。智能电表记录消耗量,然后与数据中心或终端客户通信以展示并记录这些数值。智能电表由主电池供电,需要支持长达10年甚至20年的生命周期。一般而言,对于区域覆盖广泛的表计来说,更换电池的运营成本极高,因此需要避免。此外,表计大部分操作都处在轻度负载区,只有在数据传输时才需要高脉冲电流负载。

  以流行的NB-IoT技术为例,图表显示了不同 NB-IoT 操作模式下随时间推移的电流消耗。在数据传送模式下峰值为 310mA,持续1.32s,负载在不同的操作模式下也显著变化。整个过程的平均电流消耗为30mA,持续 80s。

NB-IoT操作模式的电流及时间消耗

NB-IoT操作模式的电流及时间消耗

  为此,智能电表电池的选型通常是最关键的一步,关系到整个电表的待机功耗和功率架构。电池的种类非常之多,其特性也完全不同,但是大致意义上来讲,存储密度更大的电池,不能支持高脉冲,而高脉冲电池往往密度不够,只能满足瞬时要求。

  对于无线表计市场来说,传统做法是使用锂SOCL2电池作为主电池,采用混合层电容器封装技术的LiSOCL2支持瞬时高脉冲工作。但是HLC也存在着几个不足:首先是无法控制放电电流,因此不能工作在最大容量点;其次是在低温环境下特性较差,必须选择尺寸和价格都更高的HLC电池;第三则是如果遇到还无法满足的瞬态电流时,就需要结合主电池共同使用,但此时的瞬时大电流会对主电池的寿命带来部分影响。

  目前,业界提出了一种更好的方案,就是采用超级电容来替换HLC,从而应对无线发送时的突发响应。

  超级电容除了可以支持较大峰值负载之外,还可以在遭遇系统断电时提供备用电源功能,并且价格便宜,且产能及可靠性都有所保障。因此,目前超级电容已应用在包括表计、便携医疗设备以及POS机等场景中。比如血糖仪等往往采用纽扣电池,供电能力较弱,因此客户需要一个超级电容支持高负载模式。此外在诸如能量采集系统等应用中,也可能会利用到超级电容产品。

单电池供电、使用HLC和使用超级电容器相比,各有优势

如上表所示,单电池供电、使用HLC和使用超级电容器相比,各有优势,但使用超级电容器的方案更具成本优势。

  超级电容需要一系列电源管理功能

  超级电容的充放电需要有一系列的电路管理,包括充电路径、放电路径以及电源路径管理,这增加了电路设计的复杂性。TPS61094是一款超级电容充放电一体化双向降压升压转换器,它具有高度集成的特性,外部仅需少数无源器件,并且其Iq仅有60nA,其简单的设计可以更好地满足客户对于超级电容器方案的接受度。根据TI的仿真及实际用户设计结果参考,并结合考虑超级电容与HLC相比的成本,该方案可以提高20%的系统待机时间,减少50%的组件并显著降低系统成本。

超级电容器

  如图所示,当系统电源接通时,TPS61094 进入 Buck_on 模式:打开旁路场效应晶体管 (FET),为超级电容器提供 500mA 的恒定电流,并在超级电容器两端电压为 2.5V 时停止充电。VSYS 直接为 VOUT 供电。当断电导致 VSYS 下降时,TPS61094 会自动进入 Boost_on 模式:关闭旁路 FET,并通过超级电容器中存储的电荷为 VOUT 供电。

  邹鹏总结道,TPS61094有三项的关键的优势:分别是高集成度、高功率密度以及超低的Iq。

  与同类竞品的升压转换器相比,TPS61904具有2A的电感峰值电流,是其他竞品的两倍。可以满足NB-IoT、蓝牙、W-Mbus等多种无线技术的峰值电流要求

  此外,邹鹏还表示,满电状态下超级电容的电压为2.7V,但是最低可以支持0.8V左右的放电电压。很多用户使用时习惯采用两节电容串联,然后通过LDO降压为系统供电,负载MCU的工作电压为3.3V,这样超级电容无法被完全利用。而TPS61094采用了升压电路,仅凭一颗超级电容就可以实现3.3V的输出,可以更好地利用超级电容里的能量,从而延长寿命并节省成本。

  针对备用电源应用,响应速度是一项重要指标,TPS61094通过监测输出端的dv/dt 斜率,并在任一给定时刻调整其调节行为以优化瞬态性能。这样可以快速地检测输出电压降,同时保持低 IQ。

  此外,由于超级电容非常脆弱,电压过高可导致电解液分解或电容器发热等现象,因此充电必须保证高精度及可靠性,TPS61904可以在-40℃至150℃的全温度范围内,实现±2%的精度,充电输出电流可设置从2.5mA 至 600mA,并且具有包括输出短路保护及热关断保护在内的保护系统。

  更灵活的模式设置

  TPS61094可以自动实现超级电容的充放电管理切换,无需外围检测电路或者MCU进行控制,因此可靠性更高功耗更低,而且更简单易用。

  但邹鹏也强调,该芯片是可配置的,以满足用户的不同场景需求,同时也可以应对超级电容自放电等弊端。

强制降压模式

  在强制降压模式下,TPS61094 将器件的输出直接连接到输入,而降压转换器则输出一个设置恒定电流,为备用超级电容充电。当超级电容器充电到预设终止电压时,降压转换器停止充电。当超级电容电压下降到低于设置电压 75 mV 时,降压转换器再次开始为超级电容充电。

  在强制旁路模式下,TPS61094 打开旁路MOSFET,输出电压等于输入电压。在此模式下,TPS61094 的 IQ 约为 4nA。

  而在真关断模式下,TPS61094 可以断开负载与电池输入引脚及超级电容引脚的连接。

  此外该器件还支持真关断模式,完全切断负载与输入端的连接。

  小结

  除了TPS61904之外,TI也推出了多种超级电容管理方案,以满足不同功耗,不同电池场景的需求。每个解决方案都有优缺点。比如使用分立式电路为超级电容器充电,并使用 TPS61022 升压转换器在电网断电时将超级电容器电压升至更高的系统电压。TPS61022 输出电流能力高于 TPS61094 解决方案,但需要更多外部元件。

  另一种是具有电流限制和主动电池均衡功能的超级电容器备用电源参考设计,它使用 TPS63802 降压/升压转换器作为超级电容器充电器和稳压器,并省去了额外的分立式充电电路,但仍需要额外的外部元件来实现电源 ORing、充电电流限制和超级电容器终端电压设置。

多种应对超级电容充放电管理

TI拥有多种应对超级电容充放电管理的解决方案

  针对汽车的低Iq方案

  一辆汽车放置很久的话,就不容易打着火,主要原因很多车载设备在汽车不启动的时候并没有关闭,而是处于待机状态,导致电瓶电量耗光。因此对于汽车电源系统来说,超低功耗的待机同样很重要,可以极大提升用户体验。TI也将低Iq技术用于多款汽车芯片上,从而延长电源的使用寿命。

  比如TI新推出的LMR43620和LM43620-Q1,3V 至 36V、2A同步降压稳压器,Iq在150℃下依然可以小于3μA,在1mA轻负载情况下仍可实现85%的效率。LMR43620-Q1控制架构和功能集经过优化,可实现超小型解决方案尺寸。该器件使用峰值电流模式控制,可更大程度降低输出电容。LMR436x0-Q1利用假随机扩频、低EMIHotRod封装和经过优化的引脚排列,更大程度地减小了输入滤波器尺寸。

  另外一款则是TI推出的低Iq汽车级理想二极管LM74720,相比标准二极管或P-FET而言实现了更低功耗和更低成本,其Iq仅为35μA。LM74720-Q1 理想二极管控制器可驱动和控制外部背对背 N 沟道 MOSFET,从而模拟具有电源路径开/关控制和过压保护功能的理想二极管整流器。该产品具有快速响应特性,具有快速导通和关断比较器的强大升压稳压器,可以支持200KHz有源整流,从而对系统实现高级别系统保护。

  总结

  待机Iq长期以来一直是一个问题,但长期以来并不受到重视,主要原因无外乎相对于其他系统损耗或者待机功耗而言,这部分并不突出。而随着电池设备的越来越多,处理器等功耗也越来越低,业界开始逐步意识到延长电池寿命期和货架期与Iq息息相关。

  TI通过突破性的工艺和架构设计,使低Iq特性广泛应用于各种产品中,如直流/直流转换器、电源开关、低压降稳压器 (LDO) 、监控器、理想二极管等电源管理系统的不同组件中,并广泛涵盖从工业仪表应用、汽车传感器和个人可穿戴设备等设备。

标签: 物联网

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