儘管靜態電流通常微不足道, 但卻是穿戴式裝置中管理電池壽命的一項重要因素. 智能型, 小型設備的普及, 使電池壽命成為關注的焦點.
是什麼使穿戴式和物聯網(IoT)的所有討論和趨勢成為了可能? 測量體溫, 輸送胰島素以及監測心率的醫療貼片, 必須長時間, 可靠的運作.
此外, 這些裝置在供病人使用之前, 一般在儲藏室及藥品櫃中存放較長的時間. 在使用時, 醫生和用戶必須確信其裝置的電池有效, 狀態良好. 同樣地, 智能型手錶, 耳塞式耳機和視訊遊戲控制器, 必須能夠在兩次充電期間使用較長的時間(圖1).
圖1 智能型手錶和耳塞式耳機就是電池壽命至關重要的系統實例.
有誰希望不停的充電或者在需要時裝置卻停止運作呢? 想象一下在鐵人三項運動中必須停下來進行充電的尷尬情況.
此外, 電錶, 煤氣探測器和大樓自動化系統等裝置, 以及大量現場感測器, 必須能夠在現場可靠運作, 這些裝置都傾向於在後台持續運作, 不會頻繁地進行充電和維護. 從衛生保健和生物檢測到可穿戴和環境檢測, 幾乎所有的IoT裝置都依賴於電池, 電池必須能夠在各種條件下可靠, 長時間運作. 實際上, 電池壽命問題已經到了緊要關頭.
根據市場調研公司全球產業分析(Global Industry Analysts)的數據, 當前新興無線網路時代日益普及的行動需求的推動. 全球可攜式電池供電產品市場規模到2020年將達到8,654億美元. 普通兩口之家中將使用30~60個電池. 當然, 每款裝置都擁有自身獨特的能量使用模式. 我們接下來回顧電池壽命是如何計算的, 並討論靜態電流為什麼非常重要.
影響系統待機功耗 電源靜態電流至關重要
在完成製造之後, 許多IoT節點裝置保持在關機模式, 通常存放在貨架上, 直到賣出並開啟使用. 這些裝置在壽命期內的大部分時間處於待機模式, 定期執行某些動作或將數據傳送至雲端. 對於穿戴式健身監控設備, 用戶在訓練時穿戴的時間跨度相對較短, 尤其如此. 有鑒於此, 就有必要探索改進裝置處於被動模式時的省電途徑.
系統設計師根據中央控制組件(例如微控制器)的運作, 休眠和深度休眠電流計算電池壽命. 相關的感測器和無線電, 也與微控制器一起合作. 當然, 電源為系統中的所有功能電路供電, 也至關重要. 雖然運作耗流是延長電池壽命的重要因素, 但運作時間最終受各種電源模式下所消耗的時間量的影響. 如果休眠和深度休眠功能佔據較多的時間, 每個組件的待機電流就至關重要.
這種情況下, 電源的靜態電流是影響系統待機功耗的最大因素. 例如, 假設某個系統由40mAh, 1.55V氧化銀鈕扣電池供電, 其保存期限為1年(圖2所示為鈕扣電池). 如果吸入電流為大約4μA, 將該電流降低1微安培, 即可將穿戴式裝置的保存期限延長大約三個月.
圖2 鈕扣電池為需要長時間運作的便攜設備供電.
電源通常包括調節器, 例如升壓或降壓的切換式調節器, 或者低壓差(LDO)調節器. 有些電源也有電源管理IC(PMIC), 其中涉及到多種電源結構, 甚至可能有電池充電器.
不同於靜態電流 關機電流不得隨時喚醒
電源處於待機模式時, 功耗由靜態電流(IQ)決定, 後者是指電路的靜止狀態, 此時不驅動任何負載, 輸入不進行切換. 靜態電流雖然微不足道, 但會實質上影響系統在輕載條件下的功率傳輸效率.
有時候容易混淆靜態電流與關斷電流. 靜態電流時, 系統處於空閑狀態, 但隨時可喚醒並採取動作, 這通常是用戶希望的裝置狀態; 另一方面, 關機電流時, 是指裝置處於休眠狀態.
設計師利用靜態電流評估電源在輕載時的功耗, 利用關機電流計算設備關機且電池連接到調節器時的電池壽命.
為延長裝置電池壽命, 採用低功耗控制器, 感測器, 無線電和高效電源進行設計. 進階節點CMOS製造工藝等設計技術, 也有助於降低產品的總體功耗, 進而有效延長電池壽命. 有些設計師選擇使用升壓轉換器, 當電池電壓下降到較低電平時, 可延長電池壽命.
然而, 如果選擇的轉換器不正確, 這種方法實際上會造成靜態電流較高, 電池電量消耗更快. 終端產品的規格是另一項重要注意事項. 消費者, 進而設計師被迫選擇越來越小, 越來越輕的產品. 困難在於, 裝置的電池通常是裝置電路板上最大最重的組件. 當然, 電池的尺寸越小其容量就越小, 這與較長電池壽命的需求是矛盾的. 所以設計師必須綜合權衡電池容量和尺寸與有效電源管理技術之間的關係. 提高系統電源效率是延長電池壽命的一種常見途徑.
嚴密關注升壓轉換器等電源調節器的靜態電流指針意義重大, 該電流越低, 電池壽命就越長. 所以就需要既能提供較低靜態電流, 且尺寸規格比當前市場上可用產品更小的技術, 特別是對於現在的超小尺寸設計. 在這種情況下, 即使低至毫安培級的電流也不足以影響電池壽命. 當今的穿戴式, 行動及IoT設計要求低至奈安培級的電流.
升壓轉換器為DC-DC轉換器, 其輸出電壓高於源電壓. 綜觀升壓轉換器市場, 根據產業分析數據, VIN(5V)升壓電源管理電路增長最快(圖3為全球升壓轉換器市場的營業額預測). 根據推動這種增長的IoT應用的要求, 設計師正在尋求能夠提供較低電壓軌, 較長電池壽命以及較小方案尺寸的升壓轉換器.
圖3 升壓轉換器全球營業額預測
得益於納安培級電流 超小尺寸/聯網設計達陣
正確選擇能夠有效延長電池壽命的升壓轉換器, 須要嚴格注意一些關鍵條件, 包括靜態電流--該電流越低, 轉換器就越能延長系統待機模式下的電池壽命; 真關機模式--關機時將電流輸出與輸入阻塞, 該功能可提高效率, 延長最終產品保質期. 如果作為轉換器的整合功能, 還能夠節省昂貴的外部組件; 輸入電壓範圍--允許利用幾乎「耗盡」的電池進行運作; 效率--測量VIN, VOUT和IOUT, 百分比越高, 越有利於延長電池壽命(μA級時的效率高於90%則比較理想).
了解廠商在電源管理技術領域的耕耘業績也非常重要. 可信賴的廠商擁有為各種規模, 各個行業的客戶提供先進技術的悠久曆史, 隨時間推移持續增強其專業技術和產品. 有些廠商也為客戶提供線上模擬工具, 根據其設計指針評估效率曲線和物料列表(BOM)成本. 如果能夠使用評估系統和評估板, 則能夠快速建立各種尺寸的設計原型. 此外, 超小尺寸封裝對於成本及尺寸敏感的設計也至關重要.
Maxim現在提供DC-DC升壓轉換器, 擁有超低靜態電流(300nA)和真關機(True Shutdown)技術, 可理想用於要求長電池壽命的電池供電應用. MAX17222 nanoPower升壓調節器具有0.5A峰值電感電流限值(圖4). 組件採用真關機技術, 輸出與輸入斷開時, 無正向或反向電流. 輸出電壓可由一個1%標準電阻選擇. MAX17222擁有啟動後使能瞬態保護(ETP), 根據負載電流的不同, 當輸入電壓下降到400mV以下時, 允許輸出保持在穩壓範圍之內. 升壓轉換器採用0.88×1.4mm2, 6凸塊晶圓級封裝和6接腳uDFN封裝, 峰值效率高達95%, 最大程度減少散熱.
圖4 nanoPower升壓轉換器方框圖
在尋求未來設計中延長電池壽命的途徑時, 不可忽視靜態電流的影響. 提前理解最終產品的用電特性非常重要, 這將為努力提供方向. 在考慮使用的組件時, 應盡量使用奈安培級範圍內靜態電流最低的電路. 低靜態電流與真關機, 低輸入電壓範圍及μA級時的高效率等指針相結合, 有助於設計能夠滿足客戶每次充電提供長工作時間的智能, 聯網產品.