是什么使和(IoT)的所有討論和趨勢(shì)成為了可能？測(cè)量體溫、輸送胰島素以及監(jiān)測(cè)的醫(yī)療貼片必須長(zhǎng)時(shí)間、可靠工作。此外，這些設(shè)備在供病人使用之前，一般在儲(chǔ)藏室及藥品柜中存放較長(zhǎng)的時(shí)間。在使用時(shí)，醫(yī)生和用戶必須確信其設(shè)備的電池有效、狀態(tài)良好。同樣地，、耳塞式耳機(jī)和視頻游戲控制器必須能夠在兩次期間使用較長(zhǎng)的時(shí)間(圖1)。有誰(shuí)希望不停的充電或者在需要時(shí)設(shè)備卻停止工作呢？想象一下在鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中必須停下來(lái)進(jìn)行充電的尷尬情況。此外，電表、煤氣和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)等設(shè)備以及大量現(xiàn)場(chǎng)必須能夠在現(xiàn)場(chǎng)可靠工作，這些設(shè)備都傾向于在后臺(tái)連續(xù)工作，不會(huì)頻繁地進(jìn)行充電和維護(hù)。從衛(wèi)生保健和生物到可穿戴和環(huán)境檢測(cè)，幾乎所有的IoT設(shè)備都依賴于電池，電池必須能夠在各種條件下可靠、長(zhǎng)時(shí)間工作。實(shí)際上，電池壽命問(wèn)題已經(jīng)到了緊要關(guān)頭。
圖1.智能手表和耳塞式耳機(jī)就是電池壽命至關(guān)重要的系統(tǒng)實(shí)例。
根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司全球行業(yè)分析(Global Industry Analysts, Inc)的數(shù)據(jù)，“受當(dāng)前新興無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)代日益普及的移動(dòng)需求的推動(dòng)”，全球式電池供電產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模到2020年將達(dá)到8654億美元1。普通兩口之家中將使用30至60塊電池2。當(dāng)然，每款設(shè)備都擁有自身獨(dú)特的能耗模式。
我們接下來(lái)回顧電池壽命是如何計(jì)算的，并討論靜態(tài)為什么非常重要。
影響電池壽命的因素有哪些？
在完成制造之后，許多IoT節(jié)點(diǎn)設(shè)備保持在關(guān)斷模式，通常存放在貨架上，直到被賣(mài)出并打開(kāi)使用。這些設(shè)備在其壽命期內(nèi)的大部分時(shí)間處于待機(jī)模式，定期執(zhí)行某些動(dòng)作或?qū)⑤敵鰝鬏斨猎贫恕?duì)于可穿戴健身監(jiān)測(cè)設(shè)備，用戶在訓(xùn)練時(shí)穿戴的時(shí)間跨度相對(duì)較短，尤其如此。鑒于此，就有必要探索改進(jìn)設(shè)備處于被動(dòng)模式時(shí)的節(jié)電途徑。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師根據(jù)單元(例如)的工作、休眠和深度休眠電流計(jì)算電池壽命。相關(guān)的傳感器和無(wú)線電也與微控制器一起協(xié)同工作。當(dāng)然，為系統(tǒng)中的所有功能電路供電，也至關(guān)重要。雖然工作耗流是延長(zhǎng)電池壽命的重要因素，但工作時(shí)間最終受各種下所消耗的時(shí)間量的影響。如果休眠和深度休眠功能占據(jù)較多的時(shí)間，每個(gè)元件的待機(jī)電流就至關(guān)重要。這種情況下，電源的靜態(tài)電流是影響系統(tǒng)待機(jī)的最大因素。例如，假設(shè)某個(gè)系統(tǒng)由40mAh、1.55V氧化銀紐扣電池供電，其保質(zhì)期為1年(圖2所示為紐扣電池)。如果吸入電流為大約4µA，將該電流降低1微安即可將的保質(zhì)期延長(zhǎng)大約三個(gè)月3。
圖2.紐扣電池為需要長(zhǎng)工作時(shí)間的供電。
到2020年，全球?qū)碛袃r(jià)值8654億美元的便攜式電池供電產(chǎn)品。
電源靜態(tài)電流是影響系統(tǒng)待機(jī)功耗的最大因素。
靜態(tài)電流不等于關(guān)斷電流。
電源通常包括調(diào)節(jié)器，例如升壓或降壓的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，或者低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器。有些電源也有IC (PMIC)，其中涉及到多種電源結(jié)構(gòu)，甚至可能有器。
靜態(tài)電流的影響不可低估
電源處于待機(jī)模式時(shí)，功耗由靜態(tài)電流(IQ)決定，后者是指電路的靜默狀態(tài)，此時(shí)不驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載，輸入不進(jìn)行切換。靜態(tài)電流雖然微不足道，但會(huì)實(shí)質(zhì)上影響系統(tǒng)在輕載條件下的功率傳輸效率。
有時(shí)候容易混淆靜態(tài)電流與關(guān)斷電流。靜態(tài)電流時(shí)，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，但隨時(shí)可喚醒并采取動(dòng)作，這通常是用戶希望的設(shè)備狀態(tài)；另一方面，關(guān)斷電流時(shí)，是指設(shè)備處于休眠狀態(tài)。
設(shè)計(jì)師利用靜態(tài)電流評(píng)估電源在輕載時(shí)的功耗，利用關(guān)斷電流計(jì)算設(shè)備關(guān)斷且電池連接到調(diào)節(jié)器時(shí)的電池壽命。
為延長(zhǎng)設(shè)備電池壽命，采用控制器、傳感器、無(wú)線電和高效電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。高級(jí)節(jié)點(diǎn)CMOS制造工藝等設(shè)計(jì)技術(shù)也有助于降低產(chǎn)品的總體功耗，進(jìn)而有效延長(zhǎng)電池壽命。有些設(shè)計(jì)師選擇使用升壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)電池電壓下降到較時(shí)，可延長(zhǎng)電池壽命。然而，如果選擇的轉(zhuǎn)換器不正確，這種方法實(shí)際上會(huì)造成靜態(tài)電流較高，電池電量消耗更快。
最終產(chǎn)品的規(guī)格是另一項(xiàng)重要注意事項(xiàng)。消費(fèi)者，進(jìn)而設(shè)計(jì)師，被迫選擇越來(lái)越小、越來(lái)越輕的產(chǎn)品。困難在于，設(shè)備的電池通常是設(shè)備電路板上最大、最重的組件。當(dāng)然，電池的尺寸越小其容量就越小——這與較長(zhǎng)電池壽命的需求是矛盾的。所以設(shè)計(jì)師必須綜合權(quán)衡電池容量和尺寸與有效電源管理技術(shù)之間的關(guān)系。提高系統(tǒng)電源效率是延長(zhǎng)電池壽命的一種常見(jiàn)途徑。
嚴(yán)密關(guān)注升壓轉(zhuǎn)換器等電源調(diào)節(jié)器的靜態(tài)電流指標(biāo)意義重大——該電流越低，電池壽命就越長(zhǎng)。所以就需要既能提供較低靜態(tài)電流且尺寸規(guī)格比當(dāng)前市場(chǎng)上可用產(chǎn)品更小的技術(shù)，特別是對(duì)于現(xiàn)在的超小尺寸設(shè)計(jì)。在這種情況下，即使低至毫安級(jí)的電流也不足以影響電池壽命。當(dāng)今的可穿戴、移動(dòng)及IoT設(shè)計(jì)要求低至納安級(jí)的電流。
選擇正確的升壓轉(zhuǎn)換器
升壓轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓高于源電壓�？v觀升壓轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)，根據(jù)行業(yè)分析數(shù)據(jù)，VIN (5V)升壓電源管理電路增長(zhǎng)最快(圖3所示為全球升壓轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的營(yíng)業(yè)額預(yù)測(cè))。根據(jù)推動(dòng)這種增長(zhǎng)的IoT應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)師正在尋求能夠提供較低電壓軌、較長(zhǎng)電池壽命以及較小方案尺寸的升壓轉(zhuǎn)換器。
VIN (5V)升壓轉(zhuǎn)換器全球營(yíng)業(yè)額($M)
圖3.升壓轉(zhuǎn)換器全球營(yíng)業(yè)額預(yù)測(cè)
超小尺寸、聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)得益于納安級(jí)電流
300nA靜態(tài)電流，帶真關(guān)斷模式
正確選擇能夠有效延長(zhǎng)電池壽命的升壓轉(zhuǎn)換器，需要嚴(yán)格注意一些關(guān)鍵條件，包括：
1. 靜態(tài)電流：該電流越低，轉(zhuǎn)換器就越能延長(zhǎng)系統(tǒng)待機(jī)模式下的電池壽命。
2. 真關(guān)斷模式：關(guān)斷時(shí)將電流輸出與輸入阻塞，該功能可提高效率、延長(zhǎng)最終產(chǎn)品保質(zhì)期。如果作為轉(zhuǎn)換器的集成功能，還能夠節(jié)省昂貴的外部元件。
3. 輸入電壓范圍：允許利用幾乎“耗盡”的電池進(jìn)行工作。
4. 效率：測(cè)量VIN、VOUT和IOUT，百分比越高，越有利于延長(zhǎng)電池壽命(uA級(jí)時(shí)的效率高于90%則比較理想)。
了解廠商在電源管理技術(shù)領(lǐng)域的業(yè)績(jī)也非常重要�？尚刨嚨膹S商擁有為各種規(guī)模、各個(gè)行業(yè)的客戶提供先進(jìn)技術(shù)的悠久歷史，隨時(shí)間推移持續(xù)增強(qiáng)其專業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品。有些廠商也為客戶提供在線仿真工具，根據(jù)其設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)估效率曲線和材料清單(BOM)成本。如果能夠使用評(píng)估系統(tǒng)和評(píng)估板，則能夠快速建立各種尺寸的設(shè)計(jì)原型。此外，超小尺寸對(duì)于成本及尺寸敏感的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。
帶真關(guān)斷功能的超低靜態(tài)電流升壓轉(zhuǎn)換器
Maxim現(xiàn)在提供DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，擁有超低靜態(tài)電流(300nA)和真關(guān)斷(True Shutdown™)技術(shù)，可理想用于要求長(zhǎng)電池壽命的電池供電應(yīng)用。MAX17222 nanoPower升壓調(diào)節(jié)器具有0.5A峰值電感電流限值(圖4)。器件采用真關(guān)斷技術(shù)，輸出與輸入斷開(kāi)時(shí)，無(wú)正向或反向電流。輸出電壓可由一個(gè)1%標(biāo)準(zhǔn)電阻選擇。MAX17222擁有啟動(dòng)后使能瞬態(tài)保護(hù)(ETP)，根據(jù)負(fù)載電流的不同，當(dāng)輸入電壓下降到400mV以下時(shí)，允許輸出保持在范圍之內(nèi)。升壓轉(zhuǎn)換器采用8 x 1.4mm2、6焊球WLP封裝和6引腳uDFN封裝，峰值效率高達(dá)95%，最大程度減少散熱。
圖4. nanoPower升壓轉(zhuǎn)換器方
總結(jié)
在尋求未來(lái)設(shè)計(jì)中延長(zhǎng)電池壽命的途徑時(shí)，不可忽視靜態(tài)電流的影響。提前理解最終產(chǎn)品的用電特性非常重要——這將為您提供努力的方向。在考慮使用的元件時(shí)，應(yīng)盡量使用納安級(jí)范圍內(nèi)靜態(tài)電流最低的電路。低靜態(tài)電流與真關(guān)斷、低輸入電壓范圍及μA級(jí)時(shí)的高效率等指標(biāo)相結(jié)合，有助于設(shè)計(jì)能夠滿足客戶每次充電提供長(zhǎng)工作時(shí)間的智能、聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。 |
