超低静态电流提供更长的电池寿命

当今电子设计中最关键的挑战之一是降低能耗。电源管理是许多设备的重要设计考虑因素，尤其是那些依赖电池运行的设备。因此，大多数系统使用各种电源管理操作模式。

待机、睡眠、省电、休眠和关机等功能对于设计人员降低功耗和延长电池寿命至关重要。在每种模式下，睡眠阶段的电流很容易从几 mA 变化到 nA。

可穿戴设备的出现使这项任务变得困难，部分原因是需要使用小电池来确保小因素。为适应更小、更轻和更强大的电子设备而使用更小电池的趋势导致了一些妥协。物联网 （IoT） 和所有连接的设备增加了这种需求，需要在很长一段时间和各种操作条件下的可靠操作模式。电池供电的系统需要仔细分区、紧凑的空间利用和有效使用可用电量。

这些设备的高效率首先在必要的待机阶段长时间表现出来。在这些情况下，能耗由不同于关断电流的静态电流 （I Q ） 定义。它是电路在不控制任何负载时的工作状态。静态电流通常与淬灭电流混淆，淬灭电流是设备关闭时吸收的电流，但电池仍连接到系统。

为什么要超低静态电流？

虽然有功电流消耗是延长电池寿命的重要因素，但电池本身的使用时间还取决于其他工作模式，特别是待机模式。待机阶段的吸收电流 （I q ） 必须允许设备随时唤醒以执行来自微控制器的请求。

I q是电子系统待机功耗的主要指数，是电源管理电路中使用的现代低功率 DC/DC 转换器的重要设计参数。I q 可以评估不同的因素，例如小负载的功耗。

电源管理通常由稳压器组成，例如增加或降低电压的开关稳压器或具有低压差 （LDO） 的稳压器。有些涉及更多架构，甚至可能涉及充电器。降低 I q会提高效率，因此会通过消耗更少的电池电量来延长电池寿命。

电源设计

电源管理电路包括多个 DC/DC 解决方案，用于为传感器和微控制器 （MCU） 等设备的子组件供电。低功耗 MCU 会影响整个系统的能效。MCU 有不同的形状、尺寸和架构，但对于连接的物联网设备，32 位 ARM 微控制器是一个不错的选择。这些 MCU 得到了多家制造商的良好支持，并且相对容易开发强大且可移植的软件。

生产电子元件的制造工艺也会影响能源效率。例如，先进的 CMOS 工艺有助于确保正确使用电池，同时减少消耗。设计人员需要通过高效的电源管理技术来平衡容量和尺寸。提高系统的能源效率是延长电池寿命的常用方法。

电源管理部分涉及使用电压监控器来确保整个电力系统正常工作。如果电压中断，监控解决方案必须发出错误信号，以便系统的其余部分可以正确关闭。快速启动延迟允许在系统的其余部分启动之前检测到电压故障，从而在危险条件下提供最大的安全性。德州仪器 （TI） 具有手动复位和可编程复位时间延迟的TPS3840 Nanopower 高输入电压监控器提供了这种高精度的解决方案（图 1）。

图 1：TPS3840 的功能框图。

随着移动设备产品组合的逐年增长，锂离子电池需要通过专门的充电周期特别小心，以最大限度地延长电池寿命。可穿戴设备的电池充电具有挑战性，因为电池必须体积小、容量大。

TI还提供 BQ25619，这是一款支持 20 mA 终止电流的新型开关集成电池充电器 （IC）。它使电池容量提高 7%，并在运输模式下将电池泄漏降低至 6%。该器件为更高效的医疗和个人电子应用（如助听器）提供设计。

直流/直流解决方案

为应用选择合适的电源管理设备与 DC/DC 解决方案的架构相关联。选择 DC/DC 解决方案时应考虑的因素包括静态电流（越低的值总是代表理想的选择）和效率（百分比越高，电池寿命越长）。理想情况是在 µA 水平上具有 》90% 的效率。另一个参数是即使在电池几乎“没电”的情况下也允许运行的输入电压范围。

电源管理集成电路 （PMIC） 包括十几个 LDO。LDO 还集成到微处理器、图形处理单元 （GPU） 和许多其他片上系统 （SoC） 中。稳压器的两大类是线性稳压器 （LDO） 和开关稳压器。

由于开关电源在功率密度和整体效率方面具有优势，因此肯定会大量使用开关电源。但是，与开关稳压器相比，LDO 的输出电压噪声低、尺寸小、成本低，因此被使用。通常在实现非常低的 I q和同时满足其他关键参数（例如出色的动态性能、低输出噪声和高功率噪声抑制）之间进行折衷。

TI 推出了一款超低功耗、低压差 （LDO） 线性稳压器TPS7A02，它声称业界最低的 I q低于 25 nA，是竞争超小型器件的十分之一。新控制器使工程师至少可以将电池寿命延长一倍，并声称拥有一流的瞬态响应，可加快唤醒速度，提高应用响应时间和动态性能。

此外，小尺寸使设计人员能够减小最终产品的尺寸，使其成为所有可穿戴应用的成功选择。

TPS7A02 可以将解决方案尺寸缩小 70%，使工程师能够在空间受限的应用中为他们的设计添加更多功能，或者通过使用更小的电路板来降低系统成本。

TPS7A02 用于低功耗应用，例如电网基础设施、楼宇自动化和医疗设备（图 2）。通过在无线可视门铃和安全摄像头设计中使用该设备，工程师可以实现 24 个月或更长时间的电池寿命（高达行业标准的四倍）。

“随着消费者希望减少充电或更换电池的频率，对能够延长电池寿命、更高效率和更小尺寸的电子产品的需求越来越大。低静态电流在帮助工程师应对所有这些挑战方面发挥着关键作用，”德州仪器 （TI） 副总裁 Mike Beckman 说。“这就是为什么德州仪器继续专注于开发和提供创新的低Iq DC/DC 转换器、LDO、电池管理系统和其他电源元件，以帮助工程师解决围绕小型、低功耗、长寿命的设计挑战工业和个人电子产品。”

图 2：TPS7A02 的框图。

TI 还提供TPS62840，这是一款超低功耗开关稳压器，工作 I Q为 60 nA。1.8 V 至 6.5 V的宽输入电压 （V IN ） 范围支持各种电池化学成分和配置。它可用于许多电池供电、始终在线的工业和个人电子应用，包括窄带物联网、电网基础设施设备和可穿戴设备（图 3）。

图 3：TPS62840 评估板。

这两款 IC 都在非常低的静态电流下工作，提供了一种简单的解决方案，有助于提高任何电池供电设备的电池寿命。静态电流的显着降低可能会使应用程序运行几秒钟、几分钟、几小时甚至几天。