【導讀】在工業環境下，許多產品都是靜態監控狀態，每隔數分鐘甚至是數小時才采集監測一次數據，所以理想的狀態就是使得相同的電池產品能夠獲得加倍的待機時長、減少充電次數，甚至是能夠達到完全不需要更換電池的程度。那么如何才能達到如此的狀態？
近日國內廠商大動作不斷，從華為發布的“AI訓練集群Atlas 900”，再到阿里巴巴旗下平頭哥發布的 “含光800”及 “SoC芯片設計平臺‘無劍’”，無疑都指向AIoT和自動駕駛等領域。然而僅僅擁有夯實的神經網絡芯片基礎是遠遠不夠的，電源這一方面是更容易被忽略的……
現如今無論是家用產品還是工業產品，都逐漸靠向無線、便攜方面發展，然而這種設備的電池是需要頻繁充電的，并且使用壽命也非常有限，繁瑣的充電與電池更換一方面使得維護變得愈發困難，另一方面也相對增大了維護成本和更換成本。
值得一提的是，尤其是工業環境下，許多產品都是靜態監控狀態，每隔數分鐘甚至是數小時才采集監測一次數據，所以理想的狀態就是使得相同的電池產品能夠獲得加倍的待機時長、減少充電次數，甚至是能夠達到完全不需要更換電池的程度。
那么如何才能達到如此的狀態？這就不得不提到靜態電流。2019年9月18日，德州儀器（TI）于北京召開了題為“超低靜態電流(IQ)的電源管理——解決當今及未來的設計挑戰: 有效延長電池和系統壽命”的發布研討會，會上德州儀器電池管理系統產品線經理王世斌展示了其在超低靜態電流（IQ）的四款產品。
圖1：德州儀器電池管理系統產品線經理王世斌
低IQ帶來的想象力是無窮的
所謂靜態電流（IQ）即是負載電流之外部分的電流和電源芯片自身消耗的電流，而除去靜態電流的系統就稱之為最小系統。為順應電子設備微型化的趨勢，就需要更長的電池使用壽命。為滿足該需求，就需要更低的靜態電流 (IQ)。
王世斌表示，低IQ在延長電池壽命與儲存時間、實現更多功能、延長系統使用壽命以及降低系統成本方面發揮著關鍵作用。
王世斌現場為記者介紹，一方面，使用電池運行的電源系統需要低待機功耗以延長電池壽命，并提供更好的用戶體驗；另一方面，非攜帶式電子設備需要更精確的產品服務結束周期偵測 (end-ofservice detection)和更大的待機電源效率，正因如此所以驅動著低IQ的需求。
通過靜態電流的降低，待機時間將更長，充電次數也隨之減少，這可以為整個產品帶來更少的人力成本、系統整體成本和維修成本。另外，值得一提的是在靜態電流做到足夠小的情況，工程可以擁有更多的發揮空間，諸如將多次充電的電池更換為一次性電池，既讓靜態電流更下降了一步，甚至可以在產品更新換代前完全無需更換電池。
“德州儀器一直致力于電池方面的發展，同時也處在業界的領先地位”，王世斌表示，TI電源組中可以分為六種不同類型的相關產品，其中四個方面則與本次討論的IQ有關。
圖2：TI電源的6種不同類型產品和4個靜態電流相關產品
“電池使用時長和壽命是有限的，一般來說鋰電池可充電500次并需要一星期甚至一天充一次電，而通過TI的低IQ系列產品芯片，可以讓充電時間延長至兩天甚至是兩星期”，王世斌如是說。
TPS7A02：適用于瞬態場景的線性穩壓器（LDO）
這款于9月18日發布的線性穩壓器LDO，作為業界比較領先的LDO，靜態電流低至25nA，比前一代耗能降低大約40倍。新型穩壓器在壓降的條件下 也能在輕負載時實現超低 IQ 控制。
圖3：TI線性穩壓器（LDO）產品歷史
另外，該款LDO更具誘惑的優勢則是擁有著超小的體積，DSBGA封裝尺寸只有0.65mm×0.65mm，可幫助工程師將解決方案尺寸縮小70%。對于1至50 mA 的負載瞬態，能夠在5 us以內響應，僅為競品器件瞬態響應時間的一半。
王世斌現場介紹時表示，如今TPS7A02將靜態電流做到了25nA，而這并不意味著結束，根據市場的不斷變化和需求，未來該系列產品的靜態電流也將越做越小。
圖4：TPS7A02 LDO的優點
此款芯片在應用上也非常廣泛，諸如電網基礎設施中由于電表中多為一次性電池，而且體積普遍較小，一般擁有一定壽命周期，由于功耗太高相隔一段時間就需要更換，應用這款芯片甚至可以讓電池耗電比LDO更高，在生命周期內無需更換電池，既節省了人力也節省了成本。
另外在家居或自動化場景下，例如監控攝像系統，一般處于待機狀態，只有在檢測到移動時才會錄像，這種場景下對于自身的靜態電流的要求則更大，所以此款芯片也可以大大增強了電池壽命，減少成本。
當然在醫療方面和可穿戴設備上，同樣如此，靜態電流對于整體電池的影響是非常大的，正因TPS7A02兼具25nA的超低 IQ和快速瞬時回應，有助于提高系統壽命及性能，所以此款產品的應用是非常廣泛的。
TPS62840：可滿足始終開啟的應用的需求
這款于7月15日發布的開關穩壓器，靜態電流大約為60nA，比前一代耗能降低大約6倍，并且尺寸從2mm x 3mm降低至1.5mm x 2mm。可能會有人疑問，既然TPS7A02僅有25nA為何還要應用60nA的TPS62840，究其根本來說，該款產品對于長時間處于開啟的動態設備來說，會具有更好的性能，TPS7A02則更適用于瞬態場景。
圖5：TI降壓轉換器產品歷史
TPS62840具有非常多的優點，首先，可以延長電池運行時間，在 1-µA 負載下，可提供80% 的超高輕負載效率，幫助設計人員延長系統的電池使用壽命。
第二，在性能方面，開關噪音過大時，會對ADC一些產能位置構成影響，該款芯片在此方面較為特色的功能便是在需要采集敏感數據時進入可選模式或停止模式，能夠改善噪聲性能并在數據傳輸過程中減少信號失真。
第三，擁有更廣的應用范圍，輸入電壓范圍為1.8VIN – 6.5 VIN，適用于多種電池化學應用和配置。
第四，工程師可以利用新型開關穩壓器減少一半的電池使用數量，或者在設計中使用更小的電池。
圖6：TPS62840開關穩壓器的優點
王世斌表示，TPS62840在超輕負載下的效率較同類型器件高出30%，適用于各類由電池供電的工業和個人電子產品應用。特別是在采集數據較為頻繁或長時間工作的場景下，TPS62840具有獨特的優勢，而在瞬間狀態比較大的場景下，TPS7A02則更加合適。
當然，TI也會提供該款產品的相關參考設計，特別是針對鋰二氧化錳(LiMnO2) 電池進行了優化，擁有適用物聯網相關應用的窄頻無線模塊供電的參考設計，支持采用LiMnO2電池的智能流量表等三種不同的電源架構。
TPS3840：納米級供電與高精度的監控器
這款于2019年第一季度推出的開關穩壓器，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。一般來說，監控器大部分時間都是不工作的，只有在系統異常時才會獲取復位信號，因此這款產品擁有低IQ的意義就更加重要了。
圖7：高輸入電壓、高效的監控器TPS3840
TPS3840擁有納米級的功耗與超高精準度，IQ僅為350nA，在保證了整套監控過程中的安全可靠以外，可延長電池使用壽命。
圖8：TPS3840電壓監控器的優點
在參考設計方面，TI提供適用于保護繼電器模塊且具有診斷功能的非隔離式電源架構參考設計，展示了非隔離電源架構支持具有模擬輸入/輸出的繼電器以及由5-、12-或 24-V DC輸入生成的通訊模組。
另外，采用獨立轉換器ADC的高精確度分相CT電表參考設計，借助高性能、多通道模擬數字轉換器可實現0.1級分相電能量測。
正因為TPS3840擁有高精準度的監控并且擁有納米級的功耗，所以特別適用于電網基礎設施、樓宇自動化、電子銷售終端（EPOS）和便攜式電子設備。特別是EPOS在刷卡或掃描二維碼時會與中央系統進行通訊確認用戶身份，如果在系統中出現異常交易就會取消。在此過程中就涉及到了復位，因此復位芯片是至關重要。
BQ25619：超低截止電流的開關充電器
近年來，隨著功耗的逐漸降低，越來越多的產品的電池也越做越小，然而在此過程中如果截止電流仍然保持過去的水準，那么電池電量是不能充到理想的狀態的，而這部分的電池電量就可以看作電池更多的使用時間，從而減少充電次數。所以，這款9月6日推出的業界更低截止電流的開關充電器，在延長電池使用壽命上具有獨特的優勢。據王世斌介紹，該款可讓電池容量提高7%左右。
圖9：BQ25619開關充電器的優點
低截止電流有助于醫療和個人電子產品應用，如助聽器、耳塞和無線充電盒。隨著電池容量的增加，以及可設定充電計時器的輔助，使耳塞和充電盒的電池運行時間延長，大幅延長電池壽命，并減少使用時的充電次數。
設計者可以更快上手
TI在電源市場的占有情況一直是領先的，這四款產品對于電源設計工程師來說，在緊湊的空間內兼顧高精準和更長的電池壽命將帶來無限的創造性。過去在靜態電流較高時，或許會花費許多時間進行優化調試，而應用這幾款產品可以節省很多時間和資源。
這四款產品在業界已是非常領先的水平，而隨著市場的不斷更新，客戶需求下，更低IQ的產品也將不斷涌現。
值得一提的是，在客戶支持上，TI不論在線上還是線下均擁有詳細的電源管理資料，參考設計、培訓將簡化工程師從入門到專家的過程。
來源：21ic電子網 付斌
