尽管静态电流通常微不足道, 但却是穿戴式装置中管理电池寿命的一项重要因素. 智能型, 小型设备的普及, 使电池寿命成为关注的焦点.
是什么使穿戴式和物联网(IoT)的所有讨论和趋势成为了可能? 测量体温, 输送胰岛素以及监测心率的医疗贴片, 必须长时间, 可靠的运作.
此外, 这些装置在供病人使用之前, 一般在储藏室及药品柜中存放较长的时间. 在使用时, 医生和用户必须确信其装置的电池有效, 状态良好. 同样地, 智能型手表, 耳塞式耳机和视讯游戏控制器, 必须能够在两次充电期间使用较长的时间(图1).
图1 智能型手表和耳塞式耳机就是电池寿命至关重要的系统实例.
有谁希望不停的充电或者在需要时装置却停止运作呢? 想象一下在铁人三项运动中必须停下来进行充电的尴尬情况.
此外, 电表, 煤气探测器和大楼自动化系统等装置, 以及大量现场传感器, 必须能够在现场可靠运作, 这些装置都倾向于在后台持续运作, 不会频繁地进行充电和维护. 从卫生保健和生物检测到可穿戴和环境检测, 几乎所有的IoT装置都依赖于电池, 电池必须能够在各种条件下可靠, 长时间运作. 实际上, 电池寿命问题已经到了紧要关头.
根据市场调研公司全球产业分析(Global Industry Analysts)的数据, 当前新兴无线网络时代日益普及的行动需求的推动. 全球可携式电池供电产品市场规模到2020年将达到8,654亿美元. 普通两口之家中将使用30~60个电池. 当然, 每款装置都拥有自身独特的能量使用模式. 我们接下来回顾电池寿命是如何计算的, 并讨论静态电流为什么非常重要.
影响系统待机功耗 电源静态电流至关重要
在完成制造之后, 许多IoT节点装置保持在关机模式, 通常存放在货架上, 直到卖出并打开使用. 这些装置在寿命期内的大部分时间处于待机模式, 定期执行某些动作或将数据传送至云端. 对于穿戴式健身监控设备, 用户在训练时穿戴的时间跨度相对较短, 尤其如此. 有鉴于此, 就有必要探索改进装置处于被动模式时的省电途径.
系统设计师根据中央控制组件(例如微控制器)的运作, 休眠和深度休眠电流计算电池寿命. 相关的传感器和无线电, 也与微控制器一起合作. 当然, 电源为系统中的所有功能电路供电, 也至关重要. 虽然运作耗流是延长电池寿命的重要因素, 但运作时间最终受各种电源模式下所消耗的时间量的影响. 如果休眠和深度休眠功能占据较多的时间, 每个组件的待机电流就至关重要.
这种情况下, 电源的静态电流是影响系统待机功耗的最大因素. 例如, 假设某个系统由40mAh, 1.55V氧化银钮扣电池供电, 其保存期限为1年(图2所示为钮扣电池). 如果吸入电流为大约4μA, 将该电流降低1微安培, 即可将穿戴式装置的保存期限延长大约三个月.
图2 钮扣电池为需要长时间运作的便携设备供电.
电源通常包括调节器, 例如升压或降压的切换式调节器, 或者低压差(LDO)调节器. 有些电源也有电源管理IC(PMIC), 其中涉及到多种电源结构, 甚至可能有电池充电器.
不同于静态电流 关机电流不得随时唤醒
电源处于待机模式时, 功耗由静态电流(IQ)决定, 后者是指电路的静止状态, 此时不驱动任何负载, 输入不进行切换. 静态电流虽然微不足道, 但会实质上影响系统在轻载条件下的功率传输效率.
有时候容易混淆静态电流与关断电流. 静态电流时, 系统处于空闲状态, 但随时可唤醒并采取动作, 这通常是用户希望的装置状态; 另一方面, 关机电流时, 是指装置处于休眠状态.
设计师利用静态电流评估电源在轻载时的功耗, 利用关机电流计算设备关机且电池连接到调节器时的电池寿命.
为延长装置电池寿命, 采用低功耗控制器, 传感器, 无线电和高效电源进行设计. 进阶节点CMOS制造工艺等设计技术, 也有助于降低产品的总体功耗, 进而有效延长电池寿命. 有些设计师选择使用升压转换器, 当电池电压下降到较低电平时, 可延长电池寿命.
然而, 如果选择的转换器不正确, 这种方法实际上会造成静态电流较高, 电池电量消耗更快. 终端产品的规格是另一项重要注意事项. 消费者, 进而设计师被迫选择越来越小, 越来越轻的产品. 困难在于, 装置的电池通常是装置电路板上最大最重的组件. 当然, 电池的尺寸越小其容量就越小, 这与较长电池寿命的需求是矛盾的. 所以设计师必须综合权衡电池容量和尺寸与有效电源管理技术之间的关系. 提高系统电源效率是延长电池寿命的一种常见途径.
严密关注升压转换器等电源调节器的静态电流指针意义重大, 该电流越低, 电池寿命就越长. 所以就需要既能提供较低静态电流, 且尺寸规格比当前市场上可用产品更小的技术, 特别是对于现在的超小尺寸设计. 在这种情况下, 即使低至毫安培级的电流也不足以影响电池寿命. 当今的穿戴式, 行动及IoT设计要求低至奈安培级的电流.
升压转换器为DC-DC转换器, 其输出电压高于源电压. 综观升压转换器市场, 根据产业分析数据, VIN(5V)升压电源管理电路增长最快(图3为全球升压转换器市场的营业额预测). 根据推动这种增长的IoT应用的要求, 设计师正在寻求能够提供较低电压轨, 较长电池寿命以及较小方案尺寸的升压转换器.
图3 升压转换器全球营业额预测
得益于纳安培级电流 超小尺寸/联网设计达阵
正确选择能够有效延长电池寿命的升压转换器, 须要严格注意一些关键条件, 包括静态电流--该电流越低, 转换器就越能延长系统待机模式下的电池寿命; 真关机模式--关机时将电流输出与输入阻塞, 该功能可提高效率, 延长最终产品保质期. 如果作为转换器的整合功能, 还能够节省昂贵的外部组件; 输入电压范围--允许利用几乎「耗尽」的电池进行运作; 效率--测量VIN, VOUT和IOUT, 百分比越高, 越有利于延长电池寿命(μA级时的效率高于90%则比较理想).
了解厂商在电源管理技术领域的耕耘业绩也非常重要. 可信赖的厂商拥有为各种规模, 各个行业的客户提供先进技术的悠久历史, 随时间推移持续增强其专业技术和产品. 有些厂商也为客户提供在线仿真工具, 根据其设计指针评估效率曲线和物料列表(BOM)成本. 如果能够使用评估系统和评估板, 则能够快速建立各种尺寸的设计原型. 此外, 超小尺寸封装对于成本及尺寸敏感的设计也至关重要.
Maxim现在提供DC-DC升压转换器, 拥有超低静态电流(300nA)和真关机(True Shutdown)技术, 可理想用于要求长电池寿命的电池供电应用. MAX17222 nanoPower升压调节器具有0.5A峰值电感电流限值(图4). 组件采用真关机技术, 输出与输入断开时, 无正向或反向电流. 输出电压可由一个1%标准电阻选择. MAX17222拥有启动后使能瞬态保护(ETP), 根据负载电流的不同, 当输入电压下降到400mV以下时, 允许输出保持在稳压范围之内. 升压转换器采用0.88×1.4mm2, 6凸块晶圆级封装和6接脚uDFN封装, 峰值效率高达95%, 最大程度减少散热.
图4 nanoPower升压转换器方框图
在寻求未来设计中延长电池寿命的途径时, 不可忽视静态电流的影响. 提前理解最终产品的用电特性非常重要, 这将为努力提供方向. 在考虑使用的组件时, 应尽量使用奈安培级范围内静态电流最低的电路. 低静态电流与真关机, 低输入电压范围及μA级时的高效率等指针相结合, 有助于设计能够满足客户每次充电提供长工作时间的智能, 联网产品.