德州儀器新一代能量采集技術(shù)，面向低功耗應(yīng)用

近年來伴隨著能源危機(jī)這一意識的洶涌來襲，從各國政府到普通民眾對如何開源節(jié)流珍惜和充分利用現(xiàn)有能源都更加關(guān)注，因此也創(chuàng)造了眾多的商機(jī)，而其中能量采集的概念也被越來越多的提及。其實(shí)能量采集技術(shù)早在20多年前就已有之，只是因?yàn)樵缙诎雽?dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展局限其應(yīng)用比較有限，而我們看到隨著越來越多的半導(dǎo)體廠商開始投入到這一技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)，尤其是無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及先進(jìn)電源管理技術(shù)的發(fā)展，能量采集的應(yīng)用市場正在加速成長，目前已擴(kuò)展到包括家用設(shè)備、可植入設(shè)備、石油鉆塔、管道、工業(yè)以及汽車等眾多領(lǐng)域。

通常一款能量采集產(chǎn)品的能量源主要包括光、電磁頻率、振動和熱量，而隨著能量源的能量數(shù)量級的不同，對采集系統(tǒng)的設(shè)計難度也提出了不同的挑戰(zhàn)，通常太陽能等光源是相對數(shù)量級最高的能量來源，而射頻等電磁頻率則是非常微量的能量源，采集難度可想而知。正是半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展讓這些能量的采集成為可能。

能量采集技術(shù)的典型應(yīng)用

近日，德州儀器就推出了面向能量采集應(yīng)用的5款新產(chǎn)品，包括業(yè)界首款集成了穩(wěn)壓器的毫微功率級升壓充電器bq25570、低功耗升壓充電器bq25505，以及超低功耗降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS62740、TPS62737、TPS62736。來自德州儀器的電池管理市場及應(yīng)用經(jīng)理文司華也和與非網(wǎng)記者深入交流了這些新產(chǎn)品的技術(shù)和應(yīng)用特性。

光能量采集應(yīng)用的挑戰(zhàn)
在交流中，文司華一再強(qiáng)調(diào)，這幾款新產(chǎn)品的特點(diǎn)是能夠高效的進(jìn)行能量提取，以微電源為輸入能源的電源管理集成芯片方案，里面包括微瓦級及毫瓦級芯片，實(shí)現(xiàn)能量獲取并帶有輸出穩(wěn)壓電源的芯片，同時還具有超低功耗特性。而這幾款產(chǎn)品面向的是那些低數(shù)據(jù)速率的，低占空比的應(yīng)用，即對功耗要求苛刻的場景，如一些便攜設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，主要針對的是以太陽能為主的光能量采集應(yīng)用。

文司華提到，目前實(shí)際應(yīng)用中太陽能是相對比較實(shí)用的，也是功率相對較大的能量源。而其中的挑戰(zhàn)在于，一般的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入電壓都在幾伏，輸入電流1A以內(nèi)，但很少能做到50mA以下，電壓能做到1.8V以下的都比較少，一般都在3V或2.5V以上。而能量采集應(yīng)用中，如1000μW，所能提供的電壓通常很低，可能低于1V，電流通常為mA級或μA級，怎樣將輸入的微電源采集起來是最大的難點(diǎn)。

要克服這一難點(diǎn)，要求電源管理芯片的自耗電電流非常小，同時又要保證高能效，這需要芯片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

業(yè)界領(lǐng)先的高集成度解決方案為應(yīng)用提供產(chǎn)品支持
讓我們具體來看下這幾款新產(chǎn)品的優(yōu)勢所在。

bq25570結(jié)構(gòu)框圖

文司華介紹，bq25570為業(yè)內(nèi)首款集成穩(wěn)壓器的毫微功率級升壓充電器，其特點(diǎn)包括：

1、工作電壓最低達(dá)120mV，工作電壓范圍0.12V~3V。
2、可生成高精度的穩(wěn)定電壓，器件內(nèi)集成了穩(wěn)壓器。

bq25570的設(shè)計難度在于，此前的解決方案是將穩(wěn)壓器放在客戶端或輸出端，功耗就很難控制。bq25570在同一顆芯片中集成了穩(wěn)壓器，整體功耗又控制在nA級，靜態(tài)電流僅為488nA，遠(yuǎn)低于同類DC/DC。同時bq25570在 10μA的輕載情況下效率還能達(dá)到90%，這部分得益于器件的自耗電非常小。

bq25570的效率表現(xiàn)

bq25505為目前業(yè)內(nèi)最低功耗的升壓充電器。區(qū)別于bq25570，bq25505沒有穩(wěn)壓部分，只是升壓充電器，靜電功耗僅為325nA，效率表現(xiàn)和bq25570一樣在10μA的輕載情況下效率高達(dá)90%。bq25505的另一個特點(diǎn)是具備多種存儲選項，即有兩個能量存儲VBAT2和VBAT1，其中VBAT2是主存儲元件，為可充電元件，VBAT1是作為備用的，是不可充電的電池。芯片中有開關(guān)協(xié)調(diào)線路，通過設(shè)置VSTOR作為控制點(diǎn)，在VBAT2和VBAT1間實(shí)現(xiàn)切換，當(dāng)主存儲元件儲存的能量和電壓不夠時，啟動備用元件來支援?！?/P>

bq25505的典型應(yīng)用框圖

為更好的降低功耗，bq25505設(shè)置了SHIP Mode即配送模式，保證芯片在發(fā)送給客戶之前和庫存期間的最低功耗，靜態(tài)電流僅為5nA。

TPS62740典型應(yīng)用框圖

TPS62740是一款超低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器，靜態(tài)電流僅為360nA。文司華強(qiáng)調(diào)，德州儀器此次發(fā)布的5款新產(chǎn)品在低功耗的設(shè)計部分采用了統(tǒng)一的構(gòu)架，因?yàn)橛行Э刂屏似骷撵o態(tài)電流，從而可以在10μA的輕載情況下實(shí)現(xiàn)90%的轉(zhuǎn)換效率。在待機(jī)狀態(tài)下TPS62740的靜態(tài)電流也僅為70nA。同時TPS62740也是目前同類超低功耗降壓DC/DC中尺寸最小的。

至此德州儀器的能量采集產(chǎn)品組合