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超低靜態電流成為電池管理的大方向,TI上新4類芯片

作者:王瑩 《電子產品世界》時間:2019-10-14來源:電子產品世界收藏

電表無需更換,電網監控可節省可觀電量,TWS(真正無線立體聲)耳機減少次數,居家攝像頭、資產跟蹤等物聯網產品自耗電越來越低……。近日,德州儀器(TI)系統產品線經理王世斌先生來京,帶來了四種超低靜態電流(IQ)芯片,并介紹了其應用與相關技術。

本文引用地址:http://www.tsejo.com.cn/article/201910/405791.htm

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1 低靜態電流的重要性

首先,IoT的發展促進了小型化的需求,當這些產品小型化的時候,如何讓電池做得更小甚至無需電池,就變得至關重要。對于自耗電,靜態電流只有更小,沒有最小。

其次,電池的使用壽命是有限的,一個鋰電池一般是500次充放電。如果把靜態電流做得更小的話,可使待機時間增倍,從而減少次數,從而延長電池的使用壽命。

再有,很多時間互聯網產品大部分處于靜態/不工作/監控狀況下,所以功耗大都來自靜態,如果靜態電流做得更小,便可以把的次數降低,延長電池的壽命。

可見,如果能把靜態電流做低,可以從多次性的充電電池換成較為便宜的一次性電池,或者減少充電周期。

2 TI電池充電組的創新

TI電池組里分類很細,有6大類產品(如下圖)。第一類是降壓型DC/DC產品,就是開關電源產品,即LDO;還有升壓型的開關芯片,也包括多通道/相位或者升降壓的芯片;另外一種是比較簡單的線性電源芯片;因為做電源很多時候需要接觸到電源的開關,因此也會有電源開關、接口于照明的產品,如LED 燈;還有相對高壓的產品,例如TI于2018年發布的AC/DC GaN(氮化鎵)控制器產品;最后是電池產品。

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此次TI帶來的4款新品主要是TPS7A02線性穩壓器,另外三款是充電芯片BQ25619,降壓型穩壓器TPS62840,還有TPS3840監控器。這四款產品都具備自耗電比較低的共通特性,與前代相比降低了數倍。

為何電池充電組有TPS和BQ系列之分?實際上大部分TPS和DC/DC電源相關,BQ與電池相關。

2.1 線性穩壓器TPS7A02:低靜態電流、穩壓

2019年9月18日,TI剛剛出爐這款超小型、低壓降線性穩壓器(LDO),亮點是靜態電流約25 nA,比前一代降低了約40倍(如下圖),這意味著待機時間延長了40倍!

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低靜態電流只是此款LDO關鍵的一部分而已,一款優秀的LDO還需要具備多種功能,最主要的功能是穩壓,此款LDO對瞬態電流響應較快,對應50 mA的負載,它在5 μs就可以響應過來。響應速度非常關鍵,如果一個LDO響應不快,一個負載來了以后,系統可能就垮掉了,于是也起不到線性穩壓器的作用。

新的TPS7A02另一個優勢是體積小,只有0.65 mm×0.65 mm的封裝,比前代小了70%。這意味著可以適應各種場景去應用,尤其是可用于微型中。

TPS7A02的應用主要有四大類。

電網基礎設施。例如電表。因為一般電表里采用一次性電池,不過,需要派人定期去更換電池。有了這種靜態電流LDO,基本上在電表壽命周期里無需更換電池了。

樓宇自動化。例如攝像頭也同樣適用。在人少的地方,攝像頭大部分時間處于休眠狀況,只有人走過時才會啟動攝像,所以自耗電對其非常重要的,可能比工作耗電占的比例更大。

醫療。一些傳統醫療設備有電池充電的產品。這些醫療設備有很精準的ADC或信號鏈產品,因而耗電較高,所以電池通常較大。不過,一般家庭并不會每天用到這些設備,所以很多時候設備處于待機狀態。靜態電流低便可減少充電的次數,達到更長的待機時間。

可穿戴產品。

2.2 開關穩壓器TPS62840:靜態電流65 nA

開關DC/DC穩壓器可滿足始終開啟的應用需求。

上一節的LDO靜態電流是25 nA,而本節的開關穩壓器TPS62840為何是65 nA?關鍵在于工作時間長短。眾所周知,開關電源的效率較高,在這種場景下,客戶需要權衡設備在靜態和動態的時候分別有多少時間?在動態多的場景,用開關DC/DC是比較好的,在靜態多的時候用LDO較好。

在動態時間比靜態時間長的場合,開關DC/DC在靜態時還是能得到65 nA的靜態電流,也是令人滿意的。

從實現原理分析,與前代產品相比(360 nA,如下圖),新的TPS62840是65 nA,這是非常難達到的,需要在開關鍵里不斷更新上關與下關,所以靜態電流會比LDO高,但是比前代靜態電流已經低了6倍。而且封裝更小了,從以前6 mm2縮小到3 mm2。從DC/DC來說,效率也非常重要,該芯片能做到在1 μA負載下提供80%的超高輕負載效率,已經非常難得了。如果在更高負載的情況下,例如300 mA時能做到超過90%甚至95%。

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另外一個特色是在芯片里,一般開關電源都會遇到開關時噪音很大的問題,這會對ADC的數據采集造成影響。因此TI做了2個模式,一個是停止模式,即當要采集特別敏感數據的時候,可以把開關電源稍微停下來,用外掛電容為系統提供短時電壓。當然時間是非常短暫的,因為是靠外掛的電容,但是是非常靜態的,噪音等級與LDO已非常接近。

再有,新的TPS62840適合的電壓也是比較廣的,最高能達到6.5 V。因為在此設計里已經考慮到多種化學電池的使用場景,對各種電池電壓都能適應,例如有些是鋰電池4.2~4.5 V,一次性電池有些是AA電池為1.2 V,用三四節,因此四點幾伏、5 V、6 V都有可能用到。

場景應用方面,包括前述的電網設備。電網設備有時可能傳輸數據比較頻繁,工作時間較長,這時需要用到開關電源;如果在瞬時狀態較多的場景,可以選剛才上一節介紹的LDO穩壓器。

在樓宇自動化場景,典型的應用是IP攝像機也可能用到DC/DC,用來對影像進行處理。電流負載較大的場景會提供較高效率的DC/DC。

消費類的產品的待機時間也非常重要,大家都不喜歡一個耳機今天充完電,幾個星期以后拿出來電已耗盡。因此在消費類產品中,低功耗也是非常流行的。

TI也為此款DC/DC做了參考設計,特別是對鋰二氧化錳電池做了優化。TI在設計芯片時對各種電池,尤其是有目標電池進行了目標性的應用,如果客戶需要的話,可以到官網上拿到參考設計。

2.3 監控器TPS3840:高輸入電壓、高效率

通常監控器在大部分時間不工作,需要它工作的次數可能很少,因為它是復位的芯片,在系統異常的時候才會發出復位的信號。由于這類產品99.99%的時間處于睡眠狀態,因此也需要非常低的自耗電。不過在監控過程中,里面配置的比較器或參考電壓會對過壓和低壓做保護,會對系統做復位,這也解釋了為什么這種自耗電是系統必備的。

監控器TPS3840是適用于納米級供電設計的一系列高輸入電壓、高效監控器。

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該芯片的主要特性是它可以在10 V操作,外部加2個分壓可以做到20 V的耐壓,是350 nA的自耗電(注:所以它在大部分場景耗電是非常低的),而且精度高,能做到1%,例如監控4 V的系統,1%就是4 mV,是非常高精度的。

在一些特別場景中,客戶有時會用多個監控芯片。因為該監控芯片可以做啟動的作用,特別是開關持續啟動,例如可以用這個芯片去監控電源,當電源達到一定電壓時,會對LDO做復位或者Enable。

在應用上,可以對電網做監控。而且在電網里是需要很多監控芯片,如果能把每個監控芯片的靜態電流都降低,省電量是非常可觀的。

另外也可以應用在樓宇自動化設備,因為它們大部分時間也都是待機狀態。

特別地是EPOS(電子銷售終端)。EPOS為什么要用復位芯片?在刷卡或刷二維碼時,EPOS會與中央系統進行通訊,認證終端客戶的身份。如果系統在中間出現異常,交易便會取消。因此復位芯片是非常重要的,因為它可以監控系統異常,進行復位,取消相關交易,使金融交易在比較穩定的環境里進行。

此外,低靜態電流會對可穿戴產品有優化的效果。

2.4 開關充電器BQ25619:截止電流20 mA

前三節過的產品都是nA級的,使有些產品本來需要大電池,現在可用小電池或一次性電池。

但是有些設備一定要充電,因此需要高效、高精度的充電器。為此,TI推出了BQ25619,堪稱業界極低截止電流的開關充電器。

業界的一個趨勢是電池的容量越來越大,例如以前一般手機是2 A的電池,現在已經漲到3 A;自2018年以來出現了一個反轉,即在同樣待機時間里,把電池做得更小、更便宜。小電池又產生另外一個問題——截止電流,例如以前1 A電池的截止電流是10%,即做100 mA就夠了;現在如果把電池做得很小,做到200 mA,截止電流也要非常小,否則如果還是100 mA,電池就充不飽了。

 為此,TI祭出了低截止電流產品BQ25619,截止電流只有20 mA。這時再充一塊200 mA的電池,充到10%的截止電流即20 mA,這樣電池還是充到一樣的飽,延長了小電池的充電周期。此外,據TI估算,對一個電池充到20 mA時,可增加7%的電池電量,這樣可以多出7%的使用時間。

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不僅如此,新一代的BQ25619充電器帶三合一功能。不僅充電;而且在充電過程中,還可以對電池進行過壓過流的保護;第三,業界很多TWS耳機有電池對電池充電的功能,這個電池放在小盒子里,對外部的耳機做充電,因此,該芯片還帶升壓功能,把電池例如從3.8 V升到5 V,來對耳機充電,好處是本來你可能要一個充電IC+升壓IC,當把它們集成在一起后,可以共用一個電感,節省了PCB(印制板)空間和成本。

在小型產品的應用場景里,由于電池極小,因此自耗電至關重要。以前的電子產品上常有膠貼,把電池與系統隔離開,當拆包使用時,再把這個膠貼拿走。但是如果做到電子系統的自耗電低,就可以做成電子膠貼。TI新的BQ25619已經做到6 mA級,可以延長待機時間,可使設備經歷數月的長途運輸和線下儲存,終端客戶拿到產品以后,只要按一個按鈕就可以啟動。

另外的應用案例是運輸資產追蹤場景中,充電器會延長使用的時間。

BQ25619是開關電源的充電器。實際上,TI也有相對應的線性充電器產品。這些充電器適合更小的電池,例如耳機的電池,也同樣適合長途運輸模式,可以達到更低的400 nA。因為它是線性的,而且對系統做了一些整合,帶了整合的LDO與ADC做數據采樣,因此對資產追蹤是非常適合的,因為可以用ADC采集溫度,用LDO為MCU供電。

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3 熱門問答

問:LDO產品TPS7A02的靜態電流為何能降低近40倍?

王世斌:主要是從工藝和電路方面改進。

例如LDO,TI采用了最先進的工藝對靜態電流進行優化。另外在電路上進行創新,在LDO里重點有兩方面,一是怎樣把參考電壓做得更準更低。二是一般有個回路,是放大器,這個放大器在工作條件下怎么做到非常低,同時還要確保響應時間非常快,不然瞬態電流會不好。

問:為何能把開關穩壓器TPS62840的靜態電流做低?

王世斌:PMW要做得很低,或DCS的控制頻率開關要做得好。

所以在電路設計方面有兩個方面,基礎的電路做得好是首要的;其次,個別產品有個別電路需要做得更低,需要一個個模塊細化去分析哪個模塊耗電較高,為每個模塊做一個優化。

問:電池組有六大產品線,另外兩個產品線也需要低靜態電流嗎?

王世斌:高壓的技術相對來說是不一樣的,高壓也是需要AC/DC,因為它在墻上,它可能關注的不是靜態電流,是高效率的輕載模式、待機。

另外電源開關也有些相關的低靜態電流產品,只是今天沒有新品介紹,畢竟開關也是很基礎的器件。

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問:BQ25619在使用的時候,需要和此次介紹的其他芯片配套嗎?

王世斌:不需要。有時候它們是配套使用的,因為它們有一個互補的關系。為什么呢?一般線性充電電池比較小;開關電源因為充電電流比較大,需要效率,所以一般是在大電池的時候用開關電源。即一般0.5~1 A以下用線性充電,1 A以上用開關電源充電。

還有一些特殊場景,例如業界有些快充的產品,可能用200 mA的電池快充,2C充電,半小時要充完,這時可能要0.4 A的充電電流,加上微型化的時候會比較燙,客戶在這種場景下會選擇開關電源充電,使它的效率提升。畢竟LDO充電效率物理上沒那么好。

問:靜態電流現在到25 nA了,是不是再往下做很困難了?

王世斌:可能是非常困難的。不過,就算能做到更低,對有些場景已經沒什么好處,要其他業界配合。例如今天你用這個產品做一個一次性電池,自耗電比25 nA更高,我用這個產品就足夠了——因為假設比25 nA更低,對系統也沒有什么幫助。

將來我們會發現一些新的電池,它的自耗電更低,我們就可以把這個做得更低了,就有好處了。

所以今天來說,25 nA還是非常有競爭力的,在系統設計上面,如果用上這些產品的話,他們不需要再考慮靜態電流對其系統的影響。

問:如何提高無線耳機的待機時間?

王世斌:無線耳機用的時間比較短,本身有幾個問題:一個是電池比較小,物理上就局限了用電時間。要優化它有幾個方面。首先,耳機的耗電要低,這個看起來是比較困難的,因為現在耳機剛起步,功能上都在優化,所以耗電較大。另外要把小的電池充得飽,一般耳機電池是30~50 μA,我們要把這個電池充得飽,就要把截止電流做得低才能充得飽,剛才介紹的線性充電器的截止電流可以做到1 mA,你用30 mA的電池充到截止電流1 mA,就可以充得飽飽的,如果用30 mA,用一個一般的線性充電器,可能截止電流在5 mA,可能只充到90%飽,損耗了10%的用戶時間。對這種產品來說,截止電流非常重要。再有,截止電流精確度是非常重要的,我跟你說1 mA的截止電流,可是精確度是±5 mA,那它的用戶體驗是不一致的;但是如果做到±1 mA,用戶體驗就非常一致了,每次都充得足夠飽。

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問:此次新的LDO產品從2018年到2019年就有25倍的提升,新的開關穩壓器卻從2014年到2019年,歷時5年多。為什么后者的創新時間會很長?

王世斌:主要是電路方面的區別:開關電路里涉及到的模塊比較多,研發時間需要比較長;相比之下,LDO模塊比較少。另外是客戶的需求。

問:2022年和2023年的規劃?

王世斌:可能每兩三年都要做一個更新換代,下次可能跟大家介紹的這個是更低,也可能它的響應時間更快。我們還是要看終端客戶的反饋,再去做一個優化。因為一個產品也不能只單看靜態電流,例如EMI的噪音或者是效率等。像2018年,TI曾向中國的媒體發布了高效率的產品,此次介紹低功耗的產品,將來會帶來更多不同的、解決不同客戶問題的新的產品。

問:這四種產品的尺寸小,主要是封裝技術的改進,還是裸片的面積減小了?

王世斌:主要是綜合考慮,一般這種芯片的研發都是從封裝、工藝跟電路上面去做一個綜合的考慮。

制程方面,現在基本上采取12英寸的晶圓工廠。

       問:你講的這四種產品,一個系統里理想的是這四種都有,有監控、有電池保護、有升壓和降壓。為何不把它們集成起來?

王世斌:比如今天我把這四種產品集中,對某一個客戶可能是非常好的,但對另外一個需要2個LDO的客戶就不合適了。可能有些客戶只是在LDO和開關電源里選擇一個對系統進行供電,那可能客戶就多買了器件的功能。對于TI來說,集成的也有,非集成的也有。    

問:現在有很多MCU、SoC也集成了這些功能,和你們用分立器件相比,哪個更好?

王世斌:要看應用場景。有些產品,比如手表,有些集成,有些不集成。有些非集成的性能更好。另外很多客戶產品是需要做產品差異化的,不能大家都用同一個模塊,它可能在這個模塊上再加其他單獨的功能,它要突出差異化。這種時候它可能集成起來不那么方便,因為性能達不到它需要的效果。

例如,有些手表用的是友商的MCU,可能想用TI的LDO,因為該手表的賣點是低功耗;或者這種手表本身集成芯片沒有心跳監控器的,手表要加心跳監控器,這個心跳監控器就要耗電了,那么它可能就需要LDO或DC/DC供電。

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問:你們分類很細,有做電池保護,你是做電池管理?

王世斌:我們大的組是電池管理,我下面這個產品線是電池充電組,還有電池電量計組和電池保護組。

問:您服務了這么多領域,認為哪一領域增長最快?

王世斌:傳統TI都是做消費類,現在TI是三大領域都做,汽車、工業、消費類,將來是汽車和工業都會有一個比較快的增長。我們從這三類產品來說,如果工業和消費類對低IQ產品需求都比較大的,可穿戴產品需要低IQ,很多工業類產品,一些IoT的產品很多時候都是監控待機。所以,我們從整個市場方向來說這幾個市場都需要低IQ做研發規劃。




關鍵詞: 電池 管理 充電

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