电池使用量持续攀升,低IQ挑战接踵而至,电池供电燃眉之急无解?

2021-11-11 08:00:10 作者:我许你一世爱   阅读:181 次  点赞:0 次  鄙视:0 次  收藏:0 次  由 1788ta.cn 收集整理
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文︱立厷

图︱网络

如今,超低功耗电子产品的设计者要在更高性能和更长电池寿命之间不断权衡。尽管电池容量有所提高,但基本挑战仍然存在:需要在更长的时间内实现更高的性能。

众所周知,静态电流是影响系统待机的最大因素,要实现长待机,就要尽量降低静态电流(IQ),但说起来容易做起来难。

电池使用量持续攀升

全球碳中和的大背景下,电池使用量却在持续攀升。从智能手表到数字门铃,再到汽车和工厂中的传感器,电池无处不在。这些应用大部分时间处于待机状态,但即使在待机模式下,宝贵的电池寿命也会有所损耗。

最大化可用电池容量有助于系统设计:使用同一电池支持更多仪表读数和数据传输,维持更长使用寿命,或使用寿命相同的小型电池,但电池容量的增加毕竟有限。

低IQ技术可在不影响系统性能的情况下,延长电池寿命(待机时间)和货架期。要在待机模式下实现高电池效率,需要用电源解决方案严格管理功率输出,同时保持超低电流。这样就可以增加功率密度,同时实现低EMI,更大程度减少对其他系统元件的干扰,并简化工程师的设计和质量评估流程,实现更多系统功能,降低系统成本。此外,降低或转移噪声可简化精密模拟应用功率链,提升系统的可靠性。

低IQ挑战接踵而至

什么是IQ呢?IQ就是空载静态电流,也是低功率系统负载循环需要克服的最重要瓶颈。降低IQ会带来新的挑战,因为这种做法会在瞬态噪声性能、芯片封装面积和输出功率范围方面产生权衡。要打破低IQ的壁垒,在不牺牲性能或面积的情况下将大幅降低IQ,就需要重新审视硅技术和电路技术。

最小化IQ是降低功耗和管理电池寿命的关键因素。物联网(IoT)传感器节点就是一个很好的例子,说明了降低IQ以延长电池寿命的重要性。由于这类系统大部分时间(大于99%)处于待机模式,待机或睡眠模式下的IQ往往是电池寿命的限制因素。仔细优化低IQ电源管理模块,有可能使电池寿命从两年延长到五年以上。

待机IQ长期以来一直备受关注,但从历史上看,大多数解决方案并不能满足各种系统的需求。最新的技术突破降低了DC/DC转换器、电源开关、低压差稳压器(LDO)和监测仪等电源管理构建模块的IQ,使这些模块的使用范围扩大到工业仪表、汽车传感器和个人可穿戴设备等终端应用。

如何实现低IQ?

这样在下一代工业和汽车应用中实现低IQ呢?现在的许多应用都是采用低功耗、常开型电源(电池),只有采用超低漏电工艺技术和新型控制拓扑,才能延长电池运行时间;在需要快速响应时快速唤醒比较器和零IQ反馈控制,在不影响低功耗性能的情况下实现快速动态响应。当然,采用更小的外形尺寸,包括更小的电阻器和电容器体积,才能将电路板集成到空间受限的应用中。

刚刚,市场上出现了一种采用超级电容的新型双向降压/升压转换器TPS61094,其60nA的超低IQ仅为同类竞品升压转换器的三分之一。其内部集成的降压型超级电容充电器和升压型DC-DC转换器对超低静态电流贡献很大。

所谓超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,它既具有电容器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性。

搭配超级电容的TPS61094方案与目前的混合层电容器(HLC)方案相比,可帮助工程师延长电池寿命多达20%。超级电容器中的可用能量由超级电容器的容量、超级电容器上设置的最大电压以及TPS61094的欠压锁定来定义。超级电容器的可用能量越多,在连续重载下的运行时间就越长。另外,超级电容的强大放电能力有助于支持比较大的峰值负载,这对于智能仪表、烟雾探测器和可视门铃等电池供电类工业应用以及需要长待机的医疗应用非常重要。

长达10年待机?

德州仪器(TI)升压和升降压产品线总经理严红辉表示,设计电池供电系统的工程师经常面临一个共同的挑战,即需要在空载或轻负载(在毫安或微安级的低电流范围内)条件下实现高效率。这需要电源具有持续和稳定的输出,同时保持纳安级的超低静态电流。

TPS61094使用集成的双向降压/升压转换器架构,既简化了系统设计,同时又兼具大输出电流和超低静态电流,从而延长了电池寿命。

通过对超级电容的充放电管理,使应用可以支持大峰值负载,同时兼具超低静态电流。此前,基于锂亚硫酰氯(Li/SOCl?)电池设计通常需要并联一个昂贵的HLC来支持管理比较大的峰值负载,而这并不是性价比最高的解决方案。TPS61094兼具60nA的超低静态电流和集成超级电容器充放电管理电路,支持工程师使用超级电容替代HLC来支持大的峰值负载,并在使用一次性电池供电且需要持续运行10年以上的应用中将电池寿命延长多达20%。

除了延长电池寿命外,超低功耗的TPS61094在升压模式中还具有2A的电感电流限制能力。因此,TPS61094的输出电流是同类竞品升压转换器的两倍。强大的输出电流能力使TPS61094能够支持更宽的输入电压和更多种类的无线收发模块,如窄带物联网(NB-IoT)、LTE-M、Wi-SUN?、MIOTY、Bluetooth?和无线M-Bus。

例如,TPS61094可支持超过250mA的持续输出电流和低至0.7V的输入电压。此外,精心设计的备用电源方案有助于提供合适容量的备用电源,在正常和备用供电之间进行无缝切换,并支持多次断电而无需维护。在需要安全断电或断电期间,TPS61094可以实现备用电源管理。

实现备用电源的有效案例

许多通过线路供电的现代智能IoT设备都需要备用电源,以便在意外断电时安全断电或保持通信不断。例如,让电表通过射频接口提供关于断电的时间、地点和持续时间的详细信息。

使用TPS61094和超级电容器就可以满足NB-IoT和射频标准。所实现的备用电源电路可以为NB-IoT负载曲线提供足够的备用电源支持。

TPS61094+超级电容器备用电源

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。

安全电池NB-IoT负载曲线示例

使用示波器对备用电源完整循环进行测量,显示了在增加负载时TPS61094在电网断电时切换输入电源的情况。当系统功率突然下降时,TPS61094立即进入Boost_on模式,并利用超级电容器的功率调节VOUT。降压/升压转换器在254.5s内提供所需的输出电流,可处理11.5次NB-IoT事务。TPS61094对超级电容器放电,直到其电压降至0.7V;此时,该器件进入关断模式,直到系统VIN恢复。在Buck_on模式下,TPS61094以恒定电流为超级电容器无缝充电。从图中可以看出,超级电容器放电和充电之间的切换非常平稳。

TPS61094下电、上电测量结果

对比超级电容器备用电源实现方案

超级电容器备用电源实现方案不只一个,还有一种适用于电表的参考设计,它使用分立式电路为超级电容器充电,包括用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,但需要更多的外部元件。

几种方案:1.TPS61022;2.TPS63802;3、4.TPS61094(正背)

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,省去了分立式充电电路,但仍需要额外的外部元件来满足ORing电源控制器、充电电流限制和超级电容器终端电压设置的需求。

每种备用电源方法功能各有千秋

释放电路板空间

采用低功耗无线标准的应用越来越多,需要支持LTE-M、Lora、蓝牙和其他新兴无线接口的备用电源应用;智能仪表等典型工业应用也需要多个电路元件来实现备用电源管理和支持大电流负载功能。

在单个芯片中集成降压充电器和升压转换器后,可以省去分立式降压充电器、电感器和两个外部电容器,将元件数量减少50%,并最大化释放电路板空间。最重要的是,凭借高集成度、简单设计和卓越的轻负载效率,使用高集成度的降压/升压转换器,通过大输出电流和超低静态电流延长了电池寿命。

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