超低静态电流成为电池管理的大方向TI上新4类芯片
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- 作者: 火狐体育手机在线登录
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）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。
首先，IoT的发展促进了电池小型化的需求，当这一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。对于自耗电，静态电流只有更小，没有最小。
其次，电池的常规使用的寿命是有限的，一个锂电池一般是500次充放电。如果把静态电流做得更小的话，可使待机时间增倍，由此减少充电次数，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，如果静态电流做得更小，便可以把充电的次数降低，延长电池的寿命。
可见，如果能把静态电流做低，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。
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；另外一种是最简单的线性电源芯片；因为做电源很多时候需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年发布的AC/DC GaN（氮化镓）控制器产品；最后是电池管理产品。
此次TI带来的4款新品主要是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。
2019年9月18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25 nA，比前一代降低了约40倍（如下图），这在某种程度上预示着待机时间延长了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还需要具备多种功能，最主要的功能是稳压，此款LDO对瞬态电流响应较快，对应50 mA的负载，它在5 μs就可以响应过来。响应速度很关键，如果一个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作用。
新的TPS7A02另一个优势是体积小，只有0.65 mm×0.65 mm的封装，比前代小了70%。这在某种程度上预示着能适应各种场景去应用，尤其是可用于微型中。
●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，需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，所以自耗电对其很重要的，可能比工作耗电占的比例更大。
●医疗。一些传统医疗设施有电池充电的产品。这些医疗设施有很精准的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。
上一节的LDO静态电流是25 nA，而本节的开关稳压器TPS62840为何是65 nA？重点是上班时间长短。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65 nA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（360 nA，如下图），新的TPS62840是65 nA，这是非常难达到的，需要在开关键里一直更新上关与下关，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6 mm2缩小到3 mm2。从DC/DC来说，效率也很重要，该芯片能做到在1 µA负载下提供80%的超高轻负载效率，已经很难得了。如果在更高负载的情况下，例如300 mA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，用外挂电容为系统提供短时电压。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适合的电压非常广的，最高能达到6.5 V。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，例如有些是锂电池4.2~4.5 V，一次性电池有些是AA电池为1.2 V，用三四节，因此四点几伏、5 V、6 V都可能会用到。
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，上班时间较长，这时要使用到开关电源；如果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，用来对影像做处理。电流负载较大的场景会提供较高效率的DC/DC。
消费类的产品的待机时间也很重要，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，低功耗也是很流行的。
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，如果客户要的话，可以到官网上拿到参考设计。
通常监控器在大部分时间不工作，需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，因此也需要非常低的自耗电。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，这也解释了为什么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。
该芯片的主要特性是它可以在10 V操作，外部加2个分压能做到20 V的耐压，是350 nA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4 V的系统，1%就是4 mV，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作用，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。而且在电网里是需要很多监控芯片，如果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。
特别地是EPOS（电子销售终端）。EPOS为何需要用复位芯片？在刷卡或刷二维码时，EPOS会与中央系统来进行通讯，认证计算机显示终端的身份。如果系统在中间出现异常，交易便会取消。因此复位芯片是很重要的，因为它可以监控系统异常，进行复位，取消相关交易，使金融交易在较为稳定的环境里进行。
前三节过的产品都是nA级的，使有些产品本来需要大电池，现在可用小电池或一次性电池。
但是有些设备一定要充电，因此就需要高效、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慢慢的变大，例如以前一般手机是2 A的电池，现在已经涨到3 A；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。小电池又产生另外一个问题——截止电流，例如以前1 A电池的截止电流是10%，即做100 mA就够了；现在如果把电池做得很小，做到200 mA，截止电流也要非常小，否则如果还是100 mA，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20 mA。这时再充一块200 mA的电池，充到10%的截止电流即20 mA，这样电池还是充到一样的饱，延长了小电池的充电周期。此外，据TI估算，对一个电池充到20 mA时，可增加7%的电池的电量，这样做才能够多出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3.8 V升到5 V，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。以前的电子科技类产品上常有胶贴，把电池与系统隔离开，当拆包使用时，再把这个胶贴拿走。但是如果做到电子系统的自耗电低，就能做成电子胶贴。TI新的BQ25619已经做到6 mA级，能延续待机时间，可使设备经历数月的长途运输和线下储存，计算机显示终端拿到产品以后，只要按一个按钮就可以启动。
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，能够达到更低的400 nA。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，因此对资产追踪是很适合的，因为能用ADC采集温度，用LDO为MCU供电。
例如LDO，TI采用了最先进的工艺对静态电流来优化。另外在电路上进行创新，在LDO里重点有两方面，一是怎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，并且要确保响应时间很快，不然瞬态电流会不好。
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需要做得更低，需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。
王世斌：高压的技术相对来说是不一样的，高压同样是需要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。
王世斌：不需要。有时候它们是配套使用的，因为它们有一个互补的关系。为什么呢？一般线性充电电池比较小；开关电源因为充电电流比较大，需要效率，所以一般是在大电池的时候用开关电源。即一般0.5~1 A以下用线 A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200 mA的电池快充，2C充电，半小时要充完，这时可能要0.4 A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。
王世斌：可能是十分艰难的。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。例如今天你用这样的产品做一个一次性电池，自耗电比25 nA更高，我用这样的产品就足够了——因为假设比25 nA更低，对系统也没什么帮助。
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，25 nA依旧很存在竞争力的，在系统模块设计上面，如果用上这一些产品的话，他们不需要再考虑静态电流对其系统的影响。
王世斌：无线耳机用的时间相对来说比较短，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，这个看起来是很难的，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30~50 µA，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能做到1 mA，你用30 mA的电池充到截止电流1 mA，就可以充得饱饱的，如果用30 mA，用一个一般的线性充电器，可能截止电流在5 mA，可能只充到90%饱，损耗了10%的用户时间。对这种产品来说，截止电流很重要。再有，截止电流精确度是很重要的，我跟你说1 mA的截止电流，可是精确度是±5 mA，那它的使用者真实的体验是不一致的；但是如果做到±1 mA，使用者真实的体验就非常一致了，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。为什么后者的创新时间会很长？
王世斌：主要是电路方面的区别：开关电路里涉及到的模块比较多，研发时间需要比较长；相比之下，LDO模块比较少。另外是客户的需求。
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。我们仍旧是要看计算机显示终端的反馈，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曾向中国的媒体发布了高效率的产品，此次介绍低功耗的产品，将来会带来更多不同的、解决不一样的客户问题的新的产品。
王世斌：主要是考虑，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。
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，但对另外一个需要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来进行供电，那可能客户就多买了器件的功能。对于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需要做产品差异化的，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，因为性能达不到它需要的效果。
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，那么它可能就需要LDO或DC/DC供电。
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，还有电池的电量计组和电池保护组。
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增长。我们从这三类产品来说，如果工业和消费类对低IQ产品需求都比较大的，可穿戴产品需要低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需要低IQ做研发规划。
