如何有效延长电池使用寿命？TI推超低静态电流产品组合

关于电池驱动的系统来说，大量时间处于待机模式，为了延长电池的使用寿命，就要求电源具有极低的静态电流（Iq），为此，TI在2019年推出了多款超低Iq的产品，有效降低了系统的待机功耗，提高了系统效率，并显著延长了电池的使用时间。日前，德州仪器电池管理系统产品线经理王世斌详细解读了引入超低静态电流技术的各条产品线。王世斌介绍，目前TI的电源产品共有六大产品线，包括降压型DC/DC开关稳压器；电源开关、接口与照明；电池管理；升压、多通道/相位DC/DC转换器；线性电源以及高压电源。这其中除了高压电源外，都有和电池相关的产品。

德州仪器电池管理系统产品线经理王世斌

什么是Iq以及为何要重视所谓的器件静态电流（Iq）是指在轻负载或者无负载状态下由IC吸取的电流。“无负载”是指无电流让IC输出。一般而言，它是通过降压转换器上SW引脚，或者通过升压转换器上VOUT引脚输出的电流。所有Iq都只通过IC内部流向接地。“非开关”是指IC中无电源开关为开启状态（关闭）。它包括主开关或者控制开关，假如两者都集成到IC中，则还包括同步整流器。换句话讲，IC处于一种高阻抗状态下，其具有一个与输出端彻底断开的功率级（一些无法关闭器件上的集成MOSFET体二极管除外）。“有效”是指IC通过其EN引脚开启，而未处在UVLO或者其它关闭状态下。Iq测量工作电流，而非关机电流，因此器件必须为开启状态。最后，Iq仅在省电模式下才有意义，因此假如这种模式为特殊器件的某个选项，则其必须有效。假如器件运行在脉宽调制(pWM)模式，则功率级输入电流和开关损耗，明显减少电流量，即运行该器件所需的Iq。

显而易见，在运行时将每个电源的电流消耗降至最低是最重要的。降低Iq可以提高效率，那么降低电池的功耗也就能够延长电池的续航时间。但是，效率是否能够一直显著提高呢？对在相对较高的负载电流下运行的系统（如：显示器和某些传感器）而言，答案显然是否定的；输出功率远远超过电流消耗Iq。例如,假如健身跟踪器的显示器在5mA(总功率60毫瓦)下的分电压为12V,那么3.6V电池(总功率0.36mW)下的的100µAIq分电流是微不足道的。

关于这些类型的子系统而言更重要的是禁用时的功耗。为节省电量，超低功耗系统会在大部分时间关闭耗电的子系统。因此，关机电流对系统电池的寿命也非常重要。这种经常被称为漏电的电流可能非常大，因此必须加设一个负载开关来断开子系统的电源。

不使用负载开关时，假如装置与负载之间有连接路径，则必须同时考虑进入设备本身的漏电流和负载情况。这是使用升压转换器经常面对的一种情况，因此有时会加设特定电路来断开这些路径。在其他情况下，这条路径经过特殊优化，可以允许旁路操作——在禁用设备中以低于50nA的停机电流消耗为负载供电。

为特定子系统选择合适的设备类型—超低静态电流Iq或超低关机电流是非常重要的。这些细微差别在每个超低功耗系统从可穿戴设备到智能电表，再到医疗设备中都很普遍。所以在选择最佳解决方法前，要谨慎考虑应用需求。

王世斌表示，系统工程师具体要计算设备的使用情况，假如静态时候居多，就要选择LDO，而考虑动态功耗居多的话，则要选择DC/DC转换器。超小型，低IqLDOTpS7A02超低功率低压降线性稳压器TpS7A02，其工作静态电流（Iq）可低至25nA。近年来，TILDO产品的Iq特点进展相当迅速，2016年的TpS797静态电流为1.2μA，2018年TpS7A05减少到1μA，而仅仅过了一年，又开发出降低40倍功耗的TpS7A02。25nA的水平仅为竞争对手的十分之一，同时采用了DSBGA封装，尺寸仅为0.65mm*0.65mm，上代产品则为1mm*1mm，缩小了70%的面积。

另外，王世斌强调在1至50mA的负载瞬态时，该产品的响应时间为5μs，是竞争对手的一半。通过兼具超低Iq和快速瞬时相应，TpS7A02可广泛应用于包括电表、楼宇自动化控制、医疗及便携式电子设备中。TpS7A02即使在Dropout模式下，也能保持低Iq，从而进一步延长电池寿命。在关机或禁用模式下，设备仅有3nAIq，有助于延长电池的保质期。

TpS7A02的输出范围为0.8V至5.0V，最小电压调节幅度为50mV，可支持较低核心电压的MCU。TpS7A02具有智能使能电路和内部控制的下拉电阻，即使EN引脚悬空也能保持LDO禁用，减少用于下拉EN引脚的外部元件。当该器件工作时，该电路还有助于最大限度地降低通过外部下拉电路所吸收的电流。TpS7A02的额定温度范围为-40°C至+125°C。60nAIq的开关稳压器TpS62840除了LDO之外，在重视效率的地方，开关稳压器的应用更为广泛。TI全新的TpS62840，其Iq可达到60nA，仅为业界类似器件的1/3。TI的开关稳压器的产品Iq同样是进步明显。

2008年，TpS62240的Iq为15μA，2014年TpS62740减少到了360nA，如今缩小了6倍到60nA。“由于开关电源要不断刷新上下管，因此很难做到极低的Iq，TpS62840则打破了这一传统特性。”王世斌说道。

王世斌表示，TpS62840具有四大优势，其一是效率足够高，在1μA的负载下，可供应80%的超高轻负载效率，帮助设计人员延长电池使用寿命。

第二是供应可选模式和停止功能，这是由于开关电源的噪音相对LDO来说较大，因此可以通过停止模式，利用外挂电容供电，从而实现极低噪音水平，这关于采集模式来说非常重要。同时也支持脉冲频率调制(pFM)及脉冲宽度调制(pWM)模式，对应不同的噪声性能及传输功耗情况。

第三，支持1.8V至6.5V宽电压输入范围，也支持多种化学电池场景支持多种电源，如2S至4S碱性，1S至2SLi-MnO2或1SLi-Ion/Li-SoCl2电池等。第四是更小的尺寸，相对上一代2mm*3mm，本代产品的尺寸为1.5mm*2mm。TpS62840的应用场景包括电网基础设施、楼宇自动化、消费电子中的TWS耳机等。

同时，TI也供应了该产品的参考设计，适用于NB-IoT无线模块供电。此外该器件的特点还包括：该产品包含特殊电路，可在100％模式下实现仅150nAIq，从而进一步延长放电结束时的电池寿命。同时该设备使用DCS-Control为射频供电，并以1.8MHz的典型开关频率运行。通过将电阻连接到引脚VSET，可以选择16个预含义的输出电压，从而使器件能够灵活地用于各种应用，并减少外部元件数量。该器件的STOp引脚可立即消除任何开关噪声，以便在测试和测量系统中进行无噪声测量。TpS62840可供应高达750mA的输出电流。

电压监控器TpS3840TpS3840是一款电压监控复位芯片，重要功能是监控电压，当有异常状态时复位系统。因此该器件绝大部分时间都处在休眠状态，但是监控电路始终都处在低负载工作状态，因此要极低的Iq，才能保证功耗最低。TpS3840的Vin支持1.5V-10V，宽输入电压范围允许在不使用外部组件的情况下监控9V电压轨或电池，在使用外部电阻器的情况下监控24V电压轨。毫微级Iq可以在低功耗应用中延长电池寿命，并在使用外部电阻器时最大限度降低电流消耗。

快速启动延迟允许在系统的其余部分上电之前检测电压故障，因此可以在危险的启动故障状况下实现最高的安全性。低上电复位电压(VpOR)可防止错误复位、过早启用或开启下一个器件，并能够在上电和断电期间正确控制晶体管。其自耗电仅为350nA，由于自耗电极低，因此可以在系统中针对场景不同应用多颗该产品，实现更稳健的电路保护，可用作比较器或菊花链式通用供电监控器，或作为定序器。该系列包括三种输出拓扑：漏极开路，低电平有效；推挽，低电平有效；推挽，高电平有效，以适用于不同的监控器件需求。

在谈到该款器件的应用时，王世斌介绍道，包括电网监控、Ip摄像机、EpOS机以及可穿戴设备等都可以用到该产品。尤其是关于EpOS机，在支付时会与中央系统联网认证身份，假如出现系统异常要及时取消交易，进行复位。如今pOS机很多都是充电式的，因此减少Iq可极大新增设备的待机时间，改善体验。

针对TpS3840，TI开发了两个TIDesigns参考设计，分别为适用于保护继电器模块且具有诊断功能的非隔离式电源架构参考设计，采用独立转换器ADC的高精确度分相CT电表参考设计。极低截止电池的充电管理IC电池充电开关管理ICBQ25619的截止电流仅为20mA，这就可以为容量较小的电池冲入更多的电量，根据TI的官方数据，相关于过往产品，可提高7%的电池电量，让电池充得更饱。

BQ25619的第二个特点是三合一高集成产品，整合充电、升压转换器和电压保护等功能，充电效率高达95%。尤其是关于TWS应用，为了更好地利用电池仓，必须采用升压电路，并且该产品集成电感，可节约pCB和总成本。

第三个特点就是自耗电非常低，为20μA，同时还新增了运输模式，也就是电子胶贴技术。王世斌具体解释道，过去电池设备在出厂时必须要有一个塑料片隔离电池与系统，等使用时撕去塑料片，系统开始正常工作。而BQ25619的运输模式，Iq只有6μA，可实现长时间的待机，用户上手后只要一个按钮就可以启动系统，而不再使用传统的物理隔离方式。BQ25619适合包括可穿戴医疗设备，资产追踪，冷链运输监控，个人消费电子等电池驱动的领域，让电池充得更多，用得更省，减少充电次数，提升产品的竞争力。

除了开关充电器之外，BQ25150为一款集成LDO和ADC的低Iq线性电池充电管理IC，该产品截止电流为0.5mA，并且具有高集成度，同样也带有运输模式。该器件采用标准锂离子充电曲线分三个阶段对电池进行充电：预充电、恒流和恒压调节。