如何減少電池的充電次數(shù)，延長使用壽命？

近日國內(nèi)廠商大動作不斷，從華為發(fā)布的“AI訓(xùn)練集群Atlas 900”，再到阿里巴巴旗下平頭哥發(fā)布的 “含光800”及 “SoC芯片設(shè)計平臺‘無劍’”，無疑都指向AIoT和自動駕駛等領(lǐng)域。然而僅僅擁有夯實的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片基礎(chǔ)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，電源這一方面是更容易被忽略的……

現(xiàn)如今無論是家用產(chǎn)品還是工業(yè)產(chǎn)品，都逐漸靠向無線、便攜方面發(fā)展，然而這種設(shè)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(hù)變得愈發(fā)困難，另一方面也相對增大了維護(hù)成本和更換成本。

值得一提的是，尤其是工業(yè)環(huán)境下，許多產(chǎn)品都是靜態(tài)監(jiān)控狀態(tài)，每隔數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時才采集監(jiān)測一次數(shù)據(jù)，所以理想的狀態(tài)就是使得相同的電池產(chǎn)品能夠獲得加倍的待機時長、減少充電次數(shù)，甚至是能夠達(dá)到完全不需要更換電池的程度。

那么如何才能達(dá)到如此的狀態(tài)？這就不得不提到靜態(tài)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(tài)電流(IQ)的電源管理——解決當(dāng)今及未來的設(shè)計挑戰(zhàn): 有效延長電池和系統(tǒng)壽命”的發(fā)布研討會，會上德州儀器電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品線經(jīng)理王世斌向記者展示了其在超低靜態(tài)電流（IQ）的四款產(chǎn)品，21ic中國電子網(wǎng)記者受邀參加此次研討會。

圖1：德州儀器電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品線經(jīng)理王世斌

低IQ帶來的想象力是無窮的

所謂靜態(tài)電流（IQ）即是負(fù)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(tài)電流的系統(tǒng)就稱之為最小系統(tǒng)。為順應(yīng)電子設(shè)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(tài)電流 (IQ)。

王世斌表示，低IQ在延長電池壽命與儲存時間、實現(xiàn)更多功能、延長系統(tǒng)使用壽命以及降 低系統(tǒng)成本方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

王世斌現(xiàn)場為記者介紹，一方面，使用電池運行的電源系統(tǒng)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(shè)備需要更精確的產(chǎn)品服務(wù)結(jié)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(qū)動著低IQ的需求。

通過靜態(tài)電流的降低，待機時間將更長，充電次數(shù)也隨之減少，這可以為整個產(chǎn)品帶來更少的人力成本、系統(tǒng)整體成本和維修成本。另外，值得一提的是在靜態(tài)電流做到足夠小的情況，工程可以擁有更多的發(fā)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(tài)電流更下降了一步，甚至可以在產(chǎn)品更新?lián)Q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(fā)展，同時也處在業(yè)界的領(lǐng)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(guān)產(chǎn)品，其中四個方面則與本次討論的IQ有關(guān)。

圖2：TI電源的6中不同類型產(chǎn)品和4個靜態(tài)電流相關(guān)產(chǎn)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(chǎn)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(tài)場景的線性穩(wěn)壓器（LDO）

這款于9月18日發(fā)布的線性穩(wěn)壓器LDO，作為業(yè)界比較領(lǐng)先的LDO，靜態(tài)電流低至25nA，比前一代耗能降低大約40倍。新型穩(wěn)壓器在壓降的條件下 也能在輕負(fù)載時實現(xiàn)超低 IQ 控制。

圖3：TI線性穩(wěn)壓器（LDO）產(chǎn)品歷史

另外，該款LDO更具誘惑的優(yōu)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(fù)載瞬態(tài)， 能夠在5 us以內(nèi)響應(yīng)，僅為競品器件瞬態(tài)響應(yīng)時間的一半。

王世斌現(xiàn)場介紹時表示，如今TPS7A02將靜態(tài)電流做到了25nA，而這并不意味著結(jié)束，根據(jù)市場的不斷變化和需求，未來該系列產(chǎn)品的靜態(tài)電流也將越做越小。

圖4：TPS7A02 LDO的優(yōu)點

此款芯片在應(yīng)用上也非常廣泛，諸如電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用這款芯片甚至可以讓電池耗電比LDO更高，在生命周期內(nèi)無需更換電池，既節(jié)省了人力也節(jié)省了成本。

另外在家居或自動化場景下，例如監(jiān)控攝像系統(tǒng)，一般處于待機狀態(tài)，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(tài)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(dāng)然在醫(yī)療方面和可穿戴設(shè)備上，同樣如此，靜態(tài)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(yīng)，有助于提高系統(tǒng)壽命及性能，所以此款產(chǎn)品的應(yīng)用是非常廣泛的。

TPS62840：可滿足始終開啟的應(yīng)用的需求

這款于7月15日發(fā)布的開關(guān)穩(wěn)壓器，靜態(tài)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?？赡軙腥艘蓡?，既然TPS7A02僅有25nA為何還要應(yīng)用60nA的TPS62840，究其根本來說，該款產(chǎn)品對于長時間處于開啟的動態(tài)設(shè)備來說，會具有更好的性能，TPS7A02則更適用于瞬態(tài)場景。

圖5：TI降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品歷史

TPS62840具有非常多的優(yōu)點，首先，可以延長電池運行時間，在 1-µA 負(fù)載下，可提供80% 的超高輕負(fù)載效率，幫助設(shè)計人員延長系統(tǒng)的電池使用壽命。

第二，在性能方面，開關(guān)噪音過大時，會對ADC一些產(chǎn)能位置構(gòu)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(shù)據(jù)時進(jìn)入可選模式或停止模式，能夠改善噪聲性能并在數(shù)據(jù)傳輸過程中減少信號失真。

第三，擁有更廣的應(yīng)用范圍，輸入電壓范圍為1.8VIN – 6.5 VIN，適用于多種電池化學(xué)應(yīng)用和配置。

第四，工程師可以利用新型開關(guān)穩(wěn)壓器減少一半的電池使用數(shù)量，或者在設(shè)計中使用更小的電池。

圖6：TPS62840開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點

王世斌表示，TPS62840在超輕負(fù)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(yè)和個人電子產(chǎn)品應(yīng)用。特別是在采集數(shù)據(jù)較為頻繁或長時間工作的場景下，TPS62840具有獨特的優(yōu)勢，而在瞬間狀態(tài)比較大的場景下，TPS7A02則更加合適。

當(dāng)然，TI也會提供該款產(chǎn)品的相關(guān)參考設(shè)計，特別是針對鋰二氧化錳(LiMnO2) 電池進(jìn)行了優(yōu)化，擁有適用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用的窄頻無線模塊供電的參考設(shè)計，支持采用LiMnO2電池的智能流量表等三種不同的電源架構(gòu)。

TPS3840：納米級供電與高精度的監(jiān)控器

這款于2019年第一季度推出的開關(guān)穩(wěn)壓器，是適用于納米級供電設(shè)計的一系列高輸入電壓、高效監(jiān)控器。一般來說，監(jiān)控器大部分時間都是不工作的，只有在系統(tǒng)異常時才會獲取復(fù)位信號，因此這款產(chǎn)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(jiān)控器TPS3840

TPS3840擁有納米級的功耗與超高精準(zhǔn)度，IQ僅為350nA，在保證了整套監(jiān)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(jiān)控器的優(yōu)點

在參考設(shè)計方面，TI提供適用于保護(hù)繼電器模塊且具有診斷功能的非隔離式電源架構(gòu)參考設(shè)計，展示了非隔離電源架構(gòu)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(zhuǎn)換器ADC的高精確度分相CT電表參考設(shè)計，借助高性能、多通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)0.1級分相電能量測。

正因為TPS3840擁有高精準(zhǔn)度的監(jiān)控并且擁有納米級的功耗，所以特別適用于電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、樓宇自動化、電子銷售終端（EPOS）和便攜式電子設(shè)備。特別是EPOS在刷卡或掃描二維碼時會與中央系統(tǒng)進(jìn)行通訊確認(rèn)用戶身份，如果在系統(tǒng)中出現(xiàn)異常交易就會取消。在此過程中就涉及到了復(fù)位，因此復(fù)位芯片是至關(guān)重要。

BQ25619：超低截止電流的開關(guān)充電器

近年來，隨著功耗的逐漸降低，越來越多的產(chǎn)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(zhǔn)，那么電池電量是不能充到理想的狀態(tài)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(shù)。所以，這款9月6日推出的業(yè)界更低截止電流的開關(guān)充電器，在延長電池使用壽命上具有獨特的優(yōu)勢。據(jù)王世斌介紹，該款可讓電池容量提高7%左右。

圖9：BQ25619開關(guān)充電器的優(yōu)點

低截止電流有助于醫(yī)療和個人電子產(chǎn)品應(yīng)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(shè)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(shù)。

設(shè)計者可以更快上手

TI在電源市場的占有情況一直是領(lǐng)先的，這四款產(chǎn)品對于電源設(shè)計工程師來說，在緊湊的空間內(nèi)兼顧高精準(zhǔn)和更長的電池壽命將帶來無限的創(chuàng)造性。過去在靜態(tài)電流較高時，或許會花費許多時間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，而應(yīng)用這幾款產(chǎn)品可以節(jié)省很多時間和資源。

這四款產(chǎn)品在業(yè)界已是非常領(lǐng)先的水平，而隨著市場的不斷更新，客戶需求下，更低IQ的產(chǎn)品也將不斷涌現(xiàn)。

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(xì)的電源管理資料，參考設(shè)計、培訓(xùn)將簡化工程師從入門到專家的過程。