鉅大LARGE | 點擊量：1518次 | 2021年04月14日
什么是納安級靜態(tài)電流？納安級靜態(tài)電流對電池壽命有什么意義呢？
是什么促成了所有有關可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的趨勢與討論？測量體溫、輸送胰島素以及監(jiān)測心率的醫(yī)療貼片必須長時間、可靠地工作。此外，這些設備在供病人使用之前，一般在儲藏室及藥品柜中存放較長的時間。在使用時，醫(yī)生和用戶必須確信其設備的電池有效、狀態(tài)良好。同樣地，智能手表、耳塞式耳機和視頻游戲控制器必須能夠在兩次充電期間使用較長的時間(圖1)。誰會希望不停的充電或是設備在要使用時卻沒電了呢？假如在鐵人三項運動中還要中途停下來充電，這樣尷尬的畫面實在是無法想象。此外，電表、煤氣探測器和樓宇自動化系統(tǒng)等設備以及大量現(xiàn)場傳感器必須能夠在現(xiàn)場可靠工作，這些設備都傾向于在后臺持續(xù)工作，不會頻繁地進行充電和維護。從醫(yī)療健康和生物檢測到可穿戴和環(huán)境檢測，幾乎所有的IoT設備都依賴于電池，電池必須能夠在各種條件下可靠地、長時間地工作。實際上，電池壽命的問題已經(jīng)遠比我們想象的嚴峻。
一份市場全球行業(yè)分析調(diào)研公司(GlobalIndustryAnalysts,Inc)的報告顯示，受當前新興無線網(wǎng)絡時代日益普及的移動需求的推動，全球便攜式電池供電產(chǎn)品市場規(guī)模到2020年將達到8654億美元。關于一個普通兩口之家，通常會用到30至60塊電池，而每款設備都擁有其獨特的能耗模式。
影響電池壽命的因素有什么？
在完成制造之后，許多IoT節(jié)點設備保持在關斷模式，通常存放在貨架上，直到被賣出并打開使用。這些設備在其壽命期內(nèi)的大部分時間處于待機模式，定期執(zhí)行某些動作或將輸出傳輸至云端。關于可穿戴健身監(jiān)測設備，用戶在訓練時穿戴的時間跨度相對較短，尤其如此。鑒于此，就有必要探索改進設備處于被動模式時的節(jié)電途徑。
系統(tǒng)設計者根據(jù)中央控制單元(例如微控制器)的工作、睡眠和休眠電流計算電池壽命。相關的傳感器和無線電也與微控制器一起協(xié)同工作。當然，電源為系統(tǒng)中的所有功能電路供電，也至關重要。雖然工作耗流是延長電池壽命的重要因素，但工作時間最終受各種電源模式下所消耗的時間量的影響。假如休眠和深度休眠功能占據(jù)較多的時間，每個元件的待機電流就至關重要。這種情況下，電源的靜態(tài)電流是影響系統(tǒng)待機功耗的最大因素。例如，假設某個系統(tǒng)由40mAh、1.55V氧化銀紐扣電池供電，其使用期限為1年(圖2)。假如吸入電流為大約4µA，將該電流降低1微安即可將可穿戴設備的使用期限延長大約三個月。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖2.到2020年，全球將擁有價值8654億美元的便攜式電池供電產(chǎn)品
靜態(tài)電流的影響不可低估
電源處于待機模式時，功耗由靜態(tài)電流(IQ)決定，后者是指電路的靜默狀態(tài)，此時不驅動任何負載，輸入不進行切換。靜態(tài)電流雖然微不足道，但會實質上影響系統(tǒng)在輕載條件下的功率傳輸效率。
有時候容易混淆靜態(tài)電流與關斷電流。靜態(tài)電流時，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，但隨時可喚醒并采取動作，這通常是用戶希望的設備狀態(tài)；另一方面，關斷電流時，是指設備處于休眠狀態(tài)。
設計者利用靜態(tài)電流評估電源在輕載時的功耗，利用關斷電流計算設備關斷且電池連接到調(diào)節(jié)器時的電池壽命。
為延長設備電池壽命，采用低功耗控制器、傳感器、無線電和高效電源進行設計。高級節(jié)點CMOS制造工藝等設計技術也有助于降低產(chǎn)品的總體功耗，進而有效延長電池壽命。有些設計者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，假如選擇的轉換器不正確，這種方法實際上會造成靜態(tài)電流較高，電池電量消耗更快。
最終產(chǎn)品的規(guī)格是另一項重要注意事項。消費者，進而設計者被迫選擇越來越小、越來越輕的產(chǎn)品。困難在于，設備的電池通常是設備電路板上最大、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。所以設計者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系。提高系統(tǒng)電源效率是延長電池壽命的一種常見途徑。
密切關注升壓轉換器等電源調(diào)節(jié)器的靜態(tài)電流指標意義重大該電流越低，電池壽命就越長。所以就要既能供應較低靜態(tài)電流且尺寸規(guī)格比當前市場上可用產(chǎn)品更小的技術，特別是關于現(xiàn)在的超小尺寸設計。在這種情況下，即使低至毫安級的電流也不足以影響電池壽命。當今的可穿戴、移動及IoT設計要求低至納安級的電流。
選擇正確的升壓轉換器
升壓轉換器是輸出電壓高于源電壓的DC-DC轉換器。縱觀升壓轉換器市場，根據(jù)行業(yè)分析數(shù)據(jù)，VIN(5V)升壓電源管理電路上升最快。根據(jù)推動這種上升的IoT應用的要求，設計者正在尋求能夠供應較低電壓軌、較長電池壽命以及較小方法尺寸的升壓轉換器。
正確選擇能夠有效延長電池壽命的升壓轉換器，要嚴格注意一些關鍵條件，包括：
1.靜態(tài)電流：該電流越低，轉換器就越能延長系統(tǒng)待機模式下的電池壽命。
2.真關斷模式：關斷時將電流輸出與輸入阻塞，該功能可提高效率、延長最終產(chǎn)品使用期限。假如作為轉換器的集成功能，還能夠節(jié)省昂貴的外部元件。
3.輸入電壓范圍：允許利用幾乎耗盡的電池進行工作。
4.效率：測量VIN、VOUT和IOUT，百分比越高，越有利于延長電池壽命(uA級時的效率高于90%則比較理想)。
了解廠商在電源管理技術領域的業(yè)績也非常重要?？尚刨嚨膹S商擁有為各種規(guī)模、各個行業(yè)的客戶供應先進技術的悠久歷史，隨時間推移持續(xù)增強其專業(yè)技術和產(chǎn)品。有些廠商也為客戶供應在線仿真工具，根據(jù)其設計指標評估效率曲線和材料清單(BOM)成本。假如能夠使用評估系統(tǒng)和評估板，則能夠快速建立各種尺寸的設計原型。此外，超小尺寸封裝關于成本及尺寸敏感的設計也至關重要。
帶真關斷功能的超低靜態(tài)電流升壓轉換器
Maxim現(xiàn)在供應DC-DC升壓轉換器，擁有超低靜態(tài)電流(300nA)和真關斷(TrueShutdown™)技術，可理想用于要求長電池壽命的電池供電應用。MAX17222nanoPower升壓調(diào)節(jié)器具有0.5A峰值電感電流限值(圖3)。器件采用真關斷技術，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擁有啟動后使能瞬態(tài)保護(ETP)，根據(jù)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(wěn)壓范圍之內(nèi)。升壓轉換器采用0.88x1.4mm2、6焊球WLP封裝和6引腳uDFN封裝，峰值效率高達95%，最大程度減少散熱。
