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TI 创新低静态电流技术可延长电池寿命和货架期

关键词:TI低静态电流技术电池寿命TPS61094

时间:2021-11-11 15:10:58      来源:中电网

新冠疫情的爆发使得人们对电子产品需求量巨增,从而对电池的使用寿命要求也越来越高。用电产品从智能手表到智能门铃再到汽车和工厂中的传感器,电池已经无所不在。

新冠疫情的爆发使得人们对电子产品需求量巨增,从而对电池的使用寿命要求也越来越高。用电产品从智能手表到智能门铃再到汽车和工厂中的传感器,电池已经无所不在。如何延长电池的使用寿命显得尤为重要。日前TI公司宣布推出一项创新技术,采用降压/升压转换器与超级电容相搭配的方案,从芯片角度解决了电池超低功耗问题。采用新的方案,工程师可将低功耗工业应用中的电池寿命延长多达20% ,从而降低系统成本。

低静态电流延长电池寿命

以智能手表为例,我们都知道其大部分的时间处于待机状态,但即使在待机模式下,电池的寿命也会受损耗。另外,手表从出厂到消费者手中这段时间被称为货架期,然而在货架期内电池同样会有损耗。为此TI研发出创新的低静态电流(低IQ)技术,其挑战就是在不影响系统性能的情况下,延迟电池寿命和货架期。据德州仪器(TI)升压和升降压产品线产品市场经理邹鹏介绍,当电路设计越来越复杂时,工程师需要考虑到所有电路的功耗,甚至不放过漏电流,想要在待机模式下实现高电池效率,就需要从电源解决方案入手,严格管理功率输出,同时保持超低电流。

TI又是如何做到的呢?

那TI又是如何做到的呢?邹鹏给出了答案。在电源管理方面,挑战可能会是降低EMI、增加功率密度、降低噪声或者是隔离技术,以及此文所提到的低功耗(低IQ)。对于电子产品来说MCU就是心脏,需要保持常开,即便是在待机模式下,也需要一个超低功耗常开型电源支持,TI工程师从以下三方面着力并研发出这项创新方案。一,持续改善工艺,TI在其强大的超低漏电工艺技术上持续开发新型的控制拓扑架构电路,从而延长电池的运行时间;二,快速响应时间。对于电源尤其是DC-DC,快速响应时间是很重要的一个指标,TI利用快速唤醒比较器和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;三,减小尺寸。电路所想要实现的功耗越低,所需要的电路就会越多,从而导致芯片的尺寸或者是面积相对变大。TI利用较新的工艺,比如,TI电阻器和电容器的面积衰减技术,助力于空间受限的应用,同时不影响整个静态功耗。

TPS61094超级电容充放电一体化降压升压转换器

超级电容大家都不陌生,在智能电表、智能煤气表、智能水表上都比较常用,不仅可以当作备用电源还可以缓冲大电流。当超级电容以备用电源身份出现时,必须具备超低功耗,因为在主电源没电的情况下,超级电容需要维持系统持续工作。否则设计者就不得不选择更大的超级电容的容量来弥补系统功耗的不足,从而增加系统成本。但超级电容的好处是它放电能力强,且价格相对锂电池便宜。

TI 将超级电容充放电管理电路与超低的IQ功耗相结合,TPS61094是这项技术的产物,非常适用于智能仪表、智能电表、煤气表、水表,来支持较大的峰值负载,且可作为备用电源使用。

TPS61094有三大优势:

一、将电池寿命延长高达 20%,在必须由一次性电池供电的应用中,借助 60nA的低 IQ,可实现 10 年或以上的寿命。邹鹏进一步解释说,通常方案采用一次性的锂亚硫酰氯电池加上HLC电池电容器并联。这是因为锂亚硫酰氯电池输出能力较弱,5mA甚至以下,如果用户将输出电容变为10mA或者到20mA也不是不可以,但此时其寿命就会缩短。那如果系统需要更大的电流怎么办?仅凭电池本身已无法满足了,这样以往就会采用在设计时加一个HLC(电池电容器)器件作为一个缓冲。其工作原理是锂亚硫酰氯先对HLC(电池电容器)进行充电,需要放电的时候由HLC再给系统进行放电。另一个问题又出现了,如果当系统需要大负载的时候,尤其是北方低温环境下,如NB-IoT通讯模块需要抽取瞬间250mA的负载能力,HLC也无法供应了,此时便会从电池来获取电流,这一样来会导致电池寿命变短。TPS61094的推出轻松解决以上问题。TPS61094搭载一个相对单价较低的超级电容进行替代,不但系统成本降低了。同时,因为超级电容的放电能力比HLC要强,无需从电池取电,这样一来电池寿命可以延长20%。

二、与同类竞争的升压转换器相比,升压运行中 2A 的电感峰值电流可将输出电流翻倍。以流行的NB-IoT窄带物联网模块为例,其峰值电流可能会瞬间高达500mA,这种场景需要电源提供一个很高的负载峰值电流。TPS61094输入的峰值电流可高达2A,可以很好的满足这种场景的需求。

三、与以往分立方案相比,工程师可将元件数量减少多达 50% 并释放布板空间。TPS61094在单个芯片中集成降压充电器和升压转换器,省去分立式降压充电器、电感器和两个外部电容器。

LMR43620和LMR43620-Q1汽车级降压转换器

LMR43620和LMR43620-Q1,前者为商业级,后者为汽车级别。这两款芯片非常适用于常开型电源低功耗应用。例如有些车载设备在汽车不启动的时候处于待机状态,但DC-DC需一直开启。值得一提的是LMR43620 系列是业界非常先进的宽输入电压降压转换器,目前为业界第一款。其在150摄氏度Tjmax的时候, IQ仍然可以小于3个μA,采用2×2的低电磁干扰的HotRod™ WSON封装,同时具有内部补偿功能。

另外一款LMR43620-Q1,可利用展频技术、可配置的强制 PWM 模式和频率外同步功能,实现低 EMI。并且适用于负载很宽的范围,转换器在 1mA时仍然可实现 >85% 的效率。其实对于一款DC-DC产品来说,在重载的情况下实现高效率也并不难,但具挑战性的是在整个范围内都可实现很高的效率。比如,在1mA到2A之间,大部分DC-DC转换器可能在1A或2A的时候效率可达85%-90%,但从区间来看,在1mA时,效率可能只有50%,甚至于40%、30%。LMR43620系列是一个超低功耗的产品,在1mA的时候仍然可以实现高达85%的效率。

  

LM74720-Q1理想二极管系列产品

LM74720-Q1为低 IQ 汽车级理想二极管产品,适用于有超低功耗要求的常开型系统设计;其开通时间短和快速关断性能可实现反向电池保护;LM74720-Q1提供更小尺寸解决方案,且不降低系统整体保护水平。

智能汽车犹如一个移动的办公室。车载智能座舱、车载仪表、USB Type-C等功能越来越复杂,更多的智能产品需要连接到车内,但典型的车载只有一个12伏电池,电子器件越多电能消耗就越大,降低功耗就尤为重要。这种情况很多负载都需要做电流反向保护。传统做法是用户在电路输入级上加一个标准的二极管,再或者有的用户采用P-FET,这两种方案的弊端是要么效率低、要么成本高。为此TI 研发了LM74720理想二极管系列产品。

LM74720-Q1 提供业界先进的满足35μA最大值IQ指标的产品,可以帮助设计人员满足汽车应用更高效、有限功耗预算的要求;LM74722-Q1,是率先面市的200KHz有源整流,可实现快速关断的产品,从而确保超高级别的系统保护;另一款LM74721-Q1,具有集成VDS钳位的3伏到65伏宽输入电源电压,可为12伏和24伏汽车类电池供电的电源控制单元,提供更小的设备解决方案。

德州仪器 (TI)升压和升降压产品线总经理严红辉表示,通过使用TI最新方案可帮助用户来设计超低功耗的电源。此外TI还可提供全面的设计工具和培训文档、白皮书、培训视频等。

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