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超低静态电流成为电池管理的大方向,TI上新4类芯片

2020-06-30   点击量:18

电表无需更换电池,电网监控可节省可观电量,TWS(真正无线立体声)耳机减少充电次数,居家摄像头、资产跟踪等物联网产品自耗电越来越低……。近日,德州仪器(TI)电池管理系统产品线经理王世斌先生来京,带来了四种超低静态电流(IQ)芯片,并介绍了其应用与相关技术。


1低静态电流的重要性


首先,IoT的发展促进了电池小型化的需求,当这些产品小型化的时候,如何让电池做得更小甚至无需电池,就变得至关重要。关于自耗电,静态电流只有更小,没有最小。


其次,电池的使用寿命是有限的,一个锂离子电池一般是500次充放电。假如把静态电流做得更小的话,可使待机时间增倍,从而减少充电次数,从而延长电池的使用寿命。


再有,很多时间互联网产品大部分处于静态/不工作/监控状况下,所以功耗大都来自静态,假如静态电流做得更小,便可以把充电的次数降低,延长电池的寿命。


可见,假如能把静态电流做低,可以从多次性的充电电池换成较为便宜的一次性电池,或者减少充电周期。


2TI电池充电组的创新


TI电池组里分类很细,有6大类产品(如下图)。第一类是降压型DC/DC产品,就是开关电源产品,即LDO;还有升压型的开关芯片,也包括多通道/相位或者升降压的芯片;另外一种是比较简单的线性电源芯片;因为做电源很多时候要接触到电源的开关,因此也会有电源开关、接口于照明的产品,如LED灯;还有相对高压的产品,例如TI于2018年公布的AC/DCGaN(氮化镓)控制器产品;最后是电池管理产品。


此次TI带来的4款新品重要是TpS7A02线性稳压器,另外三款是充电芯片BQ25619,降压型稳压器TpS62840,还有TpS3840监控器。这四款产品都具备自耗电比较低的共通特性,与前代相比降低了数倍。


为何电池充电组有TpS和BQ系列之分?实际上大部分TpS和DC/DC电源相关,BQ与电池相关。


2.1线性稳压器TpS7A02:低静态电流、稳压


2019年九月十八日,TI刚刚出炉这款超小型、低压降线性稳压器(LDO),亮点是静态电流约25nA,比前一代降低了约40倍(如下图),这意味着待机时间延长了40倍!


低静态电流只是此款LDO关键的一部分而已,一款优秀的LDO还要具备多种功能,最重要的功能是稳压,此款LDO对瞬态电流响应较快,对应50mA的负载,它在5μs就可以响应过来。响应速度非常关键,假如一个LDO响应不快,一个负载来了以后,系统可能就垮掉了,于是也起不到线性稳压器的用途。


新的TpS7A02另一个优势是体积小,只有0.65mm×0.65mm的封装,比前代小了70%。这意味着可以适应各种场景去应用,尤其是可用于微型中。


TpS7A02的应用重要有四大类。


●电网基础设施。例如电表。因为一般电表里采用一次性电池,不过,要派人定期去更换电池。有了这种静态电流LDO,基本上在电表寿命周期里无需更换电池了。


●楼宇自动化。例如摄像头也同样适用。在人少的地方,摄像头大部分时间处于休眠状况,只有人走过时才会启动摄像,所以自耗电对其非常重要的,可能比工作耗电占的比例更大。


●医疗。一些传统医疗设备有电池充电的产品。这些医疗设备有很精准的ADC或信号链产品,因而耗电较高,所以电池通常较大。不过,一般家庭并不会每天用到这些设备,所以很多时候设备处于待机状态。静态电流低便可减少充电的次数,达到更长的待机时间。


●可穿戴产品。


2.2开关稳压器TpS62840:静态电流65nA


开关DC/DC稳压器可满足始终开启的应用需求。


上一节的LDO静态电流是25nA,而本节的开关稳压器TpS62840为何是65nA?关键在于工作时间长短。众所周知,开关电源的效率较高,在这种场景下,客户要权衡设备在静态和动态的时候分别有多少时间?在动态多的场景,用开关DC/DC是比较好的,在静态多的时候用LDO较好。


在动态时间比静态时间长的场合,开关DC/DC在静态时还是能得到65nA的静态电流,也是令人满意的。


从实现原理分析,与前代产品相比(360nA,如下图),新的TpS62840是65nA,这是非常难达到的,要在开关键里不断更新上关与下关,所以静态电流会比LDO高,但是比前代静态电流已经低了6倍。而且封装更小了,从以前6mm2缩小到3mm2。从DC/DC来说,效率也非常重要,该芯片能做到在1µA负载下供应80%的超高轻负载效率,已经非常难得了。假如在更高负载的情况下,例如300mA时能做到超过90%甚至95%。


另外一个特色是在芯片里,一般开关电源都会遇到开关时噪音很大的问题,这会对ADC的数据采集造成影响。因此TI做了2个模式,一个是停止模式,即当要采集特别敏感数据的时候,可以把开关电源稍微停下来,用外挂电容为系统供应短时电压。当然时间是非常短暂的,因为是靠外挂的电容,但是是非常静态的,噪音等级与LDO已非常接近。


再有,新的TpS62840适合的电压也是比较广的,最高能达到6.5V。因为在此设计里已经考虑到多种化学电池的使用场景,对各种电池电压都能适应,例如有些是锂离子电池4.2~4.5V,一次性电池有些是AA电池为1.2V,用三四节,因此四点几伏、5V、6V都有可能用到。


场景应用方面,包括前述的电网设备。电网设备有时可能传输数据比较频繁,工作时间较长,这时要用到开关电源;假如在瞬时状态较多的场景,可以选刚才上一节介绍的LDO稳压器。


在楼宇自动化场景,典型的应用是Ip摄像机也可能用到DC/DC,用来对影像进行处理。电流负载较大的场景会供应较高效率的DC/DC。


消费类的产品的待机时间也非常重要,大家都不喜欢一个耳机今天充完电,几个星期以后拿出来电已耗尽。因此在消费类产品中,低功耗也是非常流行的。


TI也为此款DC/DC做了参考设计,特别是对锂二氧化锰电池做了优化。TI在设计芯片时对各种电池,尤其是有目标电池进行了目标性的应用,假如客户要的话,可以到官网上拿到参考设计。


2.3监控器TpS3840:高输入电压、高效率


通常监控器在大部分时间不工作,要它工作的次数可能很少,因为它是复位的芯片,在系统异常的时候才会发出复位的信号。由于这类产品99.99%的时间处于睡眠状态,因此也要非常低的自耗电。不过在监控过程中,里面配置的比较器或参考电压会对过压和低压做保护,会对系统做复位,这也解释了为何这种自耗电是系统必备的。


监控器TpS3840是适用于纳米级供电设计的一系列高输入电压、高效监控器。


该芯片的重要特性是它可以在10V操作,外部加2个分压可以做到20V的耐压,是350nA的自耗电(注:所以它在大部分场景耗电是非常低的),而且精度高,能做到1%,例如监控4V的系统,1%就是4mV,是非常高精度的。


在一些特别场景中,客户有时会用多个监控芯片。因为该监控芯片可以做启动的用途,特别是开关持续启动,例如可以用这个芯片去监控电源,当电源达到一定电压时,会对LDO做复位或者Enable。


在应用上,可以对电网做监控。而且在电网里是要很多监控芯片,假如能把每个监控芯片的静态电流都降低,省电量是非常可观的。


另外也可以应用在楼宇自动化设备,因为它们大部分时间也都是待机状态。


特别地是EpOS(电子销售终端)。EpOS为何要用复位芯片?在刷卡或刷二维码时,EpOS会与中央系统进行通讯,认证终端客户的身份。假如系统在中间出现异常,交易便会取消。因此复位芯片是非常重要的,因为它可以监控系统异常,进行复位,取消相关交易,使金融交易在比较稳定的环境里进行。


此外,低静态电流会对可穿戴产品有优化的效果。


2.4开关充电器BQ25619:截止电流20mA


前三节过的产品都是nA级的,使有些产品本来要大电池,现在可用小电池或一次性电池。


但是有些设备一定要充电,因此要高效、高精度的充电器。为此,TI推出了BQ25619,堪称业界极低截止电流的开关充电器。


业界的一个趋势是电池的容量越来越大,例如以前一般手机是2A的电池,现在已经涨到3A;自2018年以来出现了一个反转,即在同样待机时间里,把电池做得更小、更便宜。小电池又出现另外一个问题——截止电流,例如以前1A电池的截止电流是10%,即做100mA就够了;现在假如把电池做得很小,做到200mA,截止电流也要非常小,否则假如还是100mA,电池就充不饱了。


为此,TI祭出了低截止电流产品BQ25619,截止电流只有20mA。这时再充一块200mA的电池,充到10%的截止电流即20mA,这样电池还是充到相同的饱,延长了小电池的充电周期。此外,据TI估算,对一个电池充到20mA时,可新增7%的电池电量,这样可以多出7%的使用时间。


不仅如此,新一代的BQ25619充电器带三合一功能。不仅充电;而且在充电过程中,还可以对电池进行过压过流的保护;第三,业界很多TWS耳机有电池对电池充电的功能,这个电池放在小盒子里,对外部的耳机做充电,因此,该芯片还带升压功能,把电池例如从3.8V升到5V,来对耳机充电,好处是本来你可能要一个充电IC+升压IC,当把它们集成在一起后,可以共用一个电感,节省了pCB(印制板)空间和成本。


在小型产品的应用场景里,由于电池极小,因此自耗电至关重要。以前的电子产品上常有胶贴,把电池与系统隔离开,当拆包使用时,再把这个胶贴拿走。但是假如做到电子系统的自耗电低,就可以做成电子胶贴。TI新的BQ25619已经做到6mA级,可以延长待机时间,可使设备经历数月的长途运输和线下储存,终端客户拿到产品以后,只要按一个按钮就可以启动。


另外的应用案例是运输资产追踪场景中,充电器会延长使用的时间。


BQ25619是开关电源的充电器。实际上,TI也有相对应的线性充电器产品。这些充电器适合更小的电池,例如耳机的电池,也同样适合长途运输模式,可以达到更低的400nA。因为它是线性的,而且对系统做了一些整合,带了整合的LDO与ADC做数据采样,因此对资产追踪是非常适合的,因为可以用ADC采集温度,用LDO为MCU供电。


3热门问答


问:LDO产品TpS7A02的静态电流为何能降低近40倍?


王世斌:重要是从工艺和电路方面改进。


例如LDO,TI采用了最先进的工艺对静态电流进行优化。另外在电路上进行创新,在LDO里重点有两方面,一是怎么样把参考电压做得更准更低。二是一般有个回路,是放大器,这个放大器在工作条件下怎么做到非常低,同时还要确保响应时间非常快,不然瞬态电流会不好。


问:为何能把开关稳压器TpS62840的静态电流做低?


王世斌:pMW要做得很低,或DCS的控制频率开关要做得好。


所以在电路设计方面有两个方面,基础的电路做得好是首要的;其次,个别产品有个别电路要做得更低,要一个个模块细化去分析哪个模块耗电较高,为每个模块做一个优化。


问:电池管理组有六大产品线,另外两个产品线也要低静态电流吗?


王世斌:高压的技术相对来说是不相同的,高压也是要AC/DC,因为它在墙上,它可能关注的不是静态电流,是高效率的轻载模式、待机。


另外电源开关也有些相关的低静态电流产品,只是今天没有新品介绍,毕竟开关也是很基础的器件。


问:BQ25619在使用的时候,要和此次介绍的其他芯片配套吗?


王世斌:不要。有时候它们是配套使用的,因为它们有一个互补的关系。为何呢?一般线性充电电池比较小;开关电源因为充电电流比较大,要效率,所以一般是在大电池的时候用开关电源。即一般0.5~1A以下用线性充电,1A以上用开关电源充电。


还有一些特殊场景,例如业界有些快充的产品,可能用200mA的电池快充,2C充电,半小时要充完,这时可能要0.4A的充电电流,加上微型化的时候会比较烫,客户在这种场景下会选择开关电源充电,使它的效率提升。毕竟LDO充电效率物理上没那么好。


问:静态电流现在到25nA了,是不是再往下做很困难了?


王世斌:可能是非常困难的。不过,就算能做到更低,对有些场景已经没什么好处,要其他业界配合。例如今天你用这个产品做一个一次性电池,自耗电比25nA更高,我用这个产品就足够了——因为假设比25nA更低,对系统也没有什么帮助。


将来我们会发现一些新的电池,它的自耗电更低,我们就可以把这个做得更低了,就有好处了。


所以今天来说,25nA还是非常有竞争力的,在系统设计上面,假如用上这些产品的话,他们不要再考虑静态电流对其系统的影响。


问:如何提高无线耳机的待机时间?


王世斌:无线耳机用的时间比较短,本身有几个问题:一个是电池比较小,物理上就局限了用电时间。要优化它有几个方面。首先,耳机的耗电要低,这个看起来是比较困难的,因为现在耳机刚起步,功能上都在优化,所以耗电较大。另外要把小的电池充得饱,一般耳机电池是30~50µA,我们要把这个电池充得饱,就要把截止电流做得低才能充得饱,刚才介绍的线性充电器的截止电流可以做到1mA,你用30mA的电池充到截止电流1mA,就可以充得饱饱的,假如用30mA,用一个一般的线性充电器,可能截止电流在5mA,可能只充到90%饱,损耗了10%的用户时间。对这种产品来说,截止电流非常重要。再有,截止电流精确度是非常重要的,我跟你说1mA的截止电流,可是精确度是±5mA,那它的用户体验是不一致的;但是假如做到±1mA,用户体验就非常一致了,每次都充得足够饱。


问:此次新的LDO产品从2018年到2019年就有25倍的提升,新的开关稳压器却从2014年到2019年,历时5年多。为何后者的创新时间会很长?


王世斌:重要是电路方面的差别:开关电路里涉及到的模块比较多,研发时间要比较长;相比之下,LDO模块比较少。另外是客户的需求。


问:2022年和2023年的规划?


王世斌:可能每两三年都要做一个更新换代,下次可能跟大家介绍的这个是更低,也可能它的响应时间更快。我们还是要看终端客户的反馈,再去做一个优化。因为一个产品也不能只单看静态电流,例如EMI的噪音或者是效率等。像2018年,TI曾向我国的媒体公布了高效率的产品,此次介绍低功耗的产品,将来会带来更多不同的、解决不同客户问题的新的产品。


问:这四种产品的尺寸小,重要是封装技术的改进,还是裸片的面积减小了?


王世斌:重要是综合考虑,一般这种芯片的研发都是从封装、工艺跟电路上面去做一个综合的考虑。


制程方面,现在基本上采取12英寸的晶圆厂。


问:你讲的这四种产品,一个系统里理想的是这四种都有,有监控、有电池保护、有升压和降压。为何不把它们集成起来?


王世斌:比如今天我把这四种产品集中,对某一个客户可能是非常好的,但对另外一个要2个LDO的客户就不合适了。可能有些客户只是在LDO和开关电源里选择一个对系统进行供电,那可能客户就多买了器件的功能。关于TI来说,集成的也有,非集成的也有。


问:现在有很多MCU、SoC也集成了这些功能,和你们用分立器件相比,哪个更好?


王世斌:要看应用场景。有些产品,比如手表,有些集成,有些不集成。有些非集成的性能更好。另外很多客户产品是要做产品差异化的,不能大家都用同一个模块,它可能在这个模块上再加其他单独的功能,它要突出差异化。这种时候它可能集成起来不那么方便,因为性能达不到它要的效果。


例如,有些手表用的是友商的MCU,可能想用TI的LDO,因为该手表的卖点是低功耗;或者这种手表本身集成芯片没有心跳监控器的,手表要加心跳监控器,这个心跳监控器就要耗电了,那么它可能就要LDO或DC/DC供电。


问:你们分类很细,有做电池保护,你是做电池管理?


王世斌:我们大的组是电池管理,我下面这个产品线是电池充电组,还有电池电量计组和电池保护组。


问:您服务了这么多领域,认为哪一领域上升最快?


王世斌:传统TI都是做消费类,现在TI是三大领域都做,汽车、工业、消费类,将来是汽车和工业都会有一个比较快的上升。我们从这三类产品来说,假如工业和消费类对低IQ产品需求都比较大的,可穿戴产品要低IQ,很多工业类产品,一些IoT的产品很多时候都是监控待机。所以,我们从整个市场方向来说这几个市场都要低IQ做研发规划。


钜大特种电池工程研究院

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