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在不影响系统性能的情况下延长电池寿命的 3 种低 IQ 技术

2025China.cn   2023年12月20日

随着电池供电型应用的激增,人们对质优价廉的电池和电池包的需求持续猛涨。电池制造商们不断采用新的化学物质,推出更小的尺寸,新的、复杂的限制和要求也随之产生,但是对电池基本功能的要求未曾改变,即:在不影响系统性能的前提下,延长运行时间和货架期。

更大程度降低静态电流 (IQ) 是降低功耗进而延长电池寿命的优先选择。器件的 IQ 是电池处于待机模式或者轻负载运行时流出的电流或消耗的电量。IQ 能大幅影响器件的能效。在电池供电型应用中,要想在无负载或轻负载运行时实现高能效,就需要实施电源管理解决方案,在维持超低供电电流的同时,严格控制输出。

如今的很多设计仅需要几纳安的 IQ,这个功能惠及很多需要长时间待机运行的应用,大到电动汽车 (EV),小到电动工具和各类耳机。由于这类系统超过 99% 的时间都处于待机模式,因此,待机或睡眠模式下的 IQ 是电池寿命的限制因素。

优化直流/直流转换器、低压降稳压器 (LDO)、电源开关、电压基准和监控器等电源管理构块以及电源管理器件,有助于降低能耗,延长电池寿命。

下面是我们的三大低 IQ 技术,可在不影响系统性能的情况下,延长电池寿命和货架期。

支持设计低功耗、常开型电源

超低漏电工艺技术和新型控制拓扑,可延长电池运行时间。在系统进入待机模式时实现超低 IQ 可以延长电池运行时间。

在图 1 中,德州仪器 TPS37-Q1 监控器在执行 EV 电池监控时,IQ 为典型值 1µA,同时支持最高 65V 的电源电压,而电源空间和响应时间均未受到影响。

图 1:借助德州仪器 TPS37-Q1 直接执行 12V/48V 非电池电源电压监控

电池充电器集成电路 (IC),例如芯片模式下 IQ 为 10nA 的 德州仪器 BQ25155,可帮助确保电池在货架上放置几个月,甚至几年,电量也不会耗尽。低功耗稳压器,例如具有超低 IQ (25nA) 的德州仪器 TPS7A02,在运输模式下 IQ 仅为 3nA,有助于大幅延长电池在正常和低压降运行模式下的寿命。

实现快速响应

快速唤醒比较器和零 IQ 反馈控制可在不影响低功耗性能的情况下实现快速动态响应。智能偏置方案能够在检测到错误时,瞬时提升比较器的电压,无需消耗更多的 IQ 即可提高响应速度。例如,在图 2 中,IQ 典型值为 275nA 的德州仪器 TPS62843 降压开关稳压器,其响应时间 × IQ/ILOAD 的值比前几代产品提升了三倍以上。此外,德州仪器 TPS37-Q1 的响应时间和检测时间也是业内超短(典型值 8µs),比竞品快两到十倍。

图 2:德州仪器TPS62843 的负载瞬态数据是 1.2VOUT、IOUT_MIN = 0A、IOUT_MAX = 300mA

缩小外形尺寸

电阻器和电容器的面积缩减技术,有助于集成到空间受限的应用中,同时不影响静态功率。在下一代纳瓦级器件中,大部分的外部上拉或下拉电阻器和外部电阻分压器网络都不再需要,而且外形尺寸更小,例如德州仪器 TPS7A02 便采用 640µm x 64µm Chip-Scale Package。

节省电路板面积的另一个方法是将更多功能集成到单个裸片上。这种集成使各个模块(如监控器、基准系统、低压降稳压器、电池充电器和直流/直流转换器)能够共享通用的构建块,同时减小总 IQ 大小。德州仪器BQ25125 是采用 2.5 mm x 2.5 mm Wafer Chip-Scale Package 的电池充电器管理 IC,通过 I2C 集成并能灵活控制多个低 IQ 功能。设计人员因此能用整个电源管理系统为多个低功耗应用供电。

结语

电池供电型应用现已随处可见,越来越多的人要求在不影响系统性能的同时降低 IQ,这是一项艰巨的任务。但也不必气馁。借助德州仪器基于超低 IQ 开发的产品组合,无需费心权衡性能和成本,即可在下一代电池供电型设计中实现超低功耗,更大限度地延长电池运行时间和货架期。

(德州仪器)

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