TI 如何降低芯片的 Iq

為了按下減碳“快進(jìn)鍵”，我們需要從各行各業(yè)出發(fā)，以電子行業(yè)為例，可以通過芯片、設(shè)備和系統(tǒng)解決方案來合力解決。

為此，我們請(qǐng)到了 TI 專家紀(jì)老師和吳老師，以及資深極客、知名 UP 主稚暉君老師，帶大家一起聊聊電源低功耗革命中的關(guān)鍵點(diǎn)。

除此之外，讓我們來看看行業(yè)專家們?cè)趺纯?。以下?nèi)容我們邀請(qǐng)到了電子工程世界的冀凱老師為我們講述 TI 在電源低功耗領(lǐng)域的發(fā)展。

20年不換電池的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，靠的是什么

隨著電池驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增長(zhǎng)，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間可以使消費(fèi)者有更好的體驗(yàn)。很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)低功耗，盡量長(zhǎng)期處于輕負(fù)載狀態(tài)。作為電源管理重要的供應(yīng)商之一，德州儀器 （TI） 提出了降低電源待機(jī)功耗的口號(hào)，并推出了一系列新品。

為此，TI 一直在強(qiáng)化產(chǎn)品在 Iq 這一指標(biāo)（靜態(tài)電流）上的改善，“靜態(tài)電流”是在最小狀態(tài)下“開啟”時(shí)使用的標(biāo)稱（平均）電流，例如放大器 IC 開啟并準(zhǔn)備工作，但當(dāng)前沒有放大任何東西?；蛘呃珉娫崔D(zhuǎn)換器空載工作狀態(tài)，包括電源穩(wěn)壓器內(nèi)部，電壓基準(zhǔn)、誤差放大器、輸出分壓器和保護(hù)電路等動(dòng)作都需要消耗電流。和“關(guān)斷電流”不同，靜態(tài)電流一定是在工作中。同時(shí)也和漏電流不同之處在于，漏電流主要是指引腳上的泄漏電流。

TI 升壓和升降壓產(chǎn)品線產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理鄒鵬表示，低 Iq 除了可以延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的待機(jī)壽命之外，還可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的貨架期體驗(yàn)。貨架期是指產(chǎn)品未發(fā)售，仍在倉庫中保管期間，由于產(chǎn)品連接至電源，因此很有可能因?yàn)殡娫葱孤叮斐蛇^多的放電，從而用戶拿到手里的第一件事不是直接開機(jī)，而是充電或者更換電池，更低 Iq 則可盡量避免此種尷尬的發(fā)生。

TI 如何降低芯片的 Iq

低 Iq 的好處顯而易見，但也會(huì)帶來一系列設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，為此鄒鵬介紹道，TI 主要通過三方面進(jìn)行。

第一，是持續(xù)改善工藝。利用 TI 強(qiáng)大的超低漏電工藝和控制拓?fù)?，?a target="_blank">晶體管漏電更低。

第二，是開發(fā)新型的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。對(duì)于電源尤其是 DC-DC，響應(yīng)速度是很重要的一個(gè)指標(biāo)，因?yàn)樾枰獙?duì)不同的負(fù)載進(jìn)行瞬間響應(yīng)。但電路響應(yīng)速度越快，損耗也會(huì)越大。TI 創(chuàng)新性的利用了快速喚醒比較器和 IQ 反饋控制，可在不影響低功耗性能的情況下，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

第三，是繼續(xù)保持小尺寸，這既包括芯片本身，也包括整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。隨著為了實(shí)現(xiàn)低功耗電路的附加電路越來越多，從而導(dǎo)致芯片的面積增大。TI 利用電阻器和電容器的面積縮減技術(shù)，非常有助于集中到空間受限的應(yīng)用中，同時(shí)不影響整個(gè)靜態(tài)功耗。

TI 近年來一直在開發(fā)更低 Iq 的電源管理芯片，且均具有非常明顯的市場(chǎng)針對(duì)性，這也是 TI 一直以來的開發(fā)思路。TI 升壓和升降壓產(chǎn)品線總經(jīng)理嚴(yán)紅輝表示，TI 團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品開發(fā)的前期就同業(yè)內(nèi)客戶保持良好的溝通，從而針對(duì)共性需求做出更有針對(duì)性、可顯著解決客戶痛點(diǎn)的產(chǎn)品——TPS61904就是一例。

TPS61094 - 超級(jí)電容管理功能的低 Iq 芯片

超級(jí)電容應(yīng)用前景向好

表計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要市場(chǎng)之一。智能電表記錄消耗量，然后與數(shù)據(jù)中心或終端客戶通信以展示并記錄這些數(shù)值。智能電表由主電池供電，需要支持長(zhǎng)達(dá) 10 年甚至 20 年的生命周期。一般而言，對(duì)于區(qū)域覆蓋廣泛的表計(jì)來說，更換電池的運(yùn)營成本極高，因此需要避免。此外，表計(jì)大部分操作都處在輕度負(fù)載區(qū)，只有在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才需要高脈沖電流負(fù)載。

以流行的 NB-IoT 技術(shù)為例，圖 1 顯示了不同 NB-IoT 操作模式下隨時(shí)間推移的電流消耗。在數(shù)據(jù)傳送模式下峰值為 310mA，持續(xù) 1.32s，負(fù)載在不同的操作模式下也顯著變化。整個(gè)過程的平均電流消耗為 30mA，持續(xù) 80s。

圖 1：NB-IoT 操作模式的電流及時(shí)間消耗

為此，智能電表電池的選型通常是最關(guān)鍵的一步，關(guān)系到整個(gè)電表的待機(jī)功耗和功率架構(gòu)。電池的種類非常之多，其特性也完全不同，但是大致意義上來講，存儲(chǔ)密度更大的電池，不能支持高脈沖，而高脈沖電池往往密度不夠，只能滿足瞬時(shí)要求。

對(duì)于無線表計(jì)市場(chǎng)來說，傳統(tǒng)做法是使用鋰 SOCL2 電池作為主電池，采用混合層電容器封裝技術(shù)的 LiSOCL2 支持瞬時(shí)高脈沖工作。但是 HLC 也存在著幾個(gè)不足：首先是無法控制放電電流，因此不能工作在最大容量點(diǎn)；其次是在低溫環(huán)境下特性較差，必須選擇尺寸和價(jià)格都更高的 HLC 電池；第三則是如果遇到還無法滿足的瞬態(tài)電流時(shí)，就需要結(jié)合主電池共同使用，但此時(shí)的瞬時(shí)大電流會(huì)對(duì)主電池的壽命帶來部分影響。

目前，業(yè)界提出了一種更好的方案，就是采用超級(jí)電容來替換 HLC，從而應(yīng)對(duì)無線發(fā)送時(shí)的突發(fā)響應(yīng)。

超級(jí)電容除了可以支持較大峰值負(fù)載之外，還可以在遭遇系統(tǒng)斷電時(shí)提供備用電源功能，并且價(jià)格便宜，且產(chǎn)能及可靠性都有所保障。因此，目前超級(jí)電容已應(yīng)用在包括表計(jì)、便攜醫(yī)療設(shè)備以及 POS 機(jī)等場(chǎng)景中。比如血糖儀等往往采用紐扣電池，供電能力較弱，因此客戶需要一個(gè)超級(jí)電容支持高負(fù)載模式。此外在諸如能量采集系統(tǒng)等應(yīng)用中，也可能會(huì)利用到超級(jí)電容產(chǎn)品。

表 1：超級(jí)電容器方案的優(yōu)勢(shì)

如表 1 所示，單電池供電、使用HLC和使用超級(jí)電容器相比，各有優(yōu)勢(shì)，但使用超級(jí)電容器的方案更具成本優(yōu)勢(shì)。

超級(jí)電容需要一系列電源管理功能

超級(jí)電容的充放電需要有一系列的電路管理，包括充電路徑、放電路徑以及電源路徑管理，這增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。TPS61094 是一款超級(jí)電容充放電一體化雙向降壓升壓轉(zhuǎn)換器，它具有高度集成的特性，外部?jī)H需少數(shù)無源器件，并且其 Iq 僅有 60nA，其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以更好地滿足客戶對(duì)于超級(jí)電容器方案的接受度。根據(jù) TI 的仿真及實(shí)際用戶設(shè)計(jì)結(jié)果參考，并結(jié)合考慮超級(jí)電容與 HLC 相比的成本，該方案可以提高 20% 的系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間，減少 50% 的組件并顯著降低系統(tǒng)成本。

圖 2：TPS61094 方案

如圖 2 所示，當(dāng)系統(tǒng)電源接通時(shí)，TPS61094 進(jìn)入 Buck_on 模式：打開旁路場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET），為超級(jí)電容器提供 500mA 的恒定電流，并在超級(jí)電容器兩端電壓為 2.5V 時(shí)停止充電。VSYS 直接為 VOUT 供電。當(dāng)斷電導(dǎo)致 VSYS 下降時(shí)，TPS61094 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入 Boost_on 模式：關(guān)閉旁路 FET，并通過超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的電荷為 VOUT 供電。

鄒鵬總結(jié)道，TPS61094 有三項(xiàng)的關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)：分別是高集成度、高功率密度以及超低的 Iq。

與同類競(jìng)品的升壓轉(zhuǎn)換器相比，TPS61904 具有 2A 的電感峰值電流，是其他競(jìng)品的兩倍?？梢詽M足 NB-IoT、藍(lán)牙、W-Mbus 等多種無線技術(shù)的峰值電流要求。

此外，鄒鵬還表示，滿電狀態(tài)下超級(jí)電容的電壓為 2.7V，但是最低可以支持 0.8V 左右的放電電壓。很多用戶使用時(shí)習(xí)慣采用兩節(jié)電容串聯(lián)，然后通過 LDO 降壓為系統(tǒng)供電，負(fù)載 MCU 的工作電壓為 3.3V，這樣超級(jí)電容無法被完全利用。而 TPS61094 采用了升壓電路，僅憑一顆超級(jí)電容就可以實(shí)現(xiàn) 3.3V 的輸出，可以更好地利用超級(jí)電容里的能量，從而延長(zhǎng)壽命并節(jié)省成本。

針對(duì)備用電源應(yīng)用，響應(yīng)速度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，TPS61094 通過監(jiān)測(cè)輸出端的 dv/dt 斜率，并在任一給定時(shí)刻調(diào)整其調(diào)節(jié)行為以優(yōu)化瞬態(tài)性能。這樣可以快速地檢測(cè)輸出電壓降，同時(shí)保持低 IQ。

此外，由于超級(jí)電容非常脆弱，電壓過高可導(dǎo)致電解液分解或電容器發(fā)熱等現(xiàn)象，因此充電必須保證高精度及可靠性，TPS61904 可以在 -40℃ 至 150℃ 的全溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn) ±2% 的精度，充電輸出電流可設(shè)置從 2.5mA 至 600mA，并且具有包括輸出短路保護(hù)及熱關(guān)斷保護(hù)在內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)。

更靈活的模式設(shè)置

TPS61094 可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的充放電管理切換，無需外圍檢測(cè)電路或者 MCU 進(jìn)行控制，因此可靠性更高功耗更低，而且更簡(jiǎn)單易用。

但鄒鵬也強(qiáng)調(diào)，該芯片是可配置的，以滿足用戶的不同場(chǎng)景需求，同時(shí)也可以應(yīng)對(duì)超級(jí)電容自放電等弊端。

圖 3：TPS61094 不同配置可滿足用戶的不同場(chǎng)景需求

在強(qiáng)制降壓模式下，TPS61094 將器件的輸出直接連接到輸入，而降壓轉(zhuǎn)換器則輸出一個(gè)設(shè)置恒定電流，為備用超級(jí)電容充電。當(dāng)超級(jí)電容器充電到預(yù)設(shè)終止電壓時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器停止充電。當(dāng)超級(jí)電容電壓下降到低于設(shè)置電壓 75 mV 時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器再次開始為超級(jí)電容充電。

在強(qiáng)制旁路模式下，TPS61094 打開旁路 MOSFET，輸出電壓等于輸入電壓。在此模式下，TPS61094 的 IQ 約為 4nA。

而在真關(guān)斷模式下，TPS61094 可以斷開負(fù)載與電池輸入引腳及超級(jí)電容引腳的連接。

此外該器件還支持真關(guān)斷模式，完全切斷負(fù)載與輸入端的連接。

小結(jié)

除了 TPS61904 之外，TI 也推出了多種超級(jí)電容管理方案，以滿足不同功耗，不同電池場(chǎng)景的需求。每個(gè)解決方案都有優(yōu)缺點(diǎn)。比如使用分立式電路為超級(jí)電容器充電，并使用 TPS61022 升壓轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)斷電時(shí)將超級(jí)電容器電壓升至更高的系統(tǒng)電壓。TPS61022 輸出電流能力高于 TPS61094 解決方案，但需要更多外部元件。

另一種是具有電流限制和主動(dòng)電池均衡功能的超級(jí)電容器備用電源參考設(shè)計(jì)，它使用 TPS63802 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器作為超級(jí)電容器充電器和穩(wěn)壓器，并省去了額外的分立式充電電路，但仍需要額外的外部元件來實(shí)現(xiàn)電源 ORing、充電電流限制和超級(jí)電容器終端電壓設(shè)置。

圖 4：TI 擁有多種應(yīng)對(duì)超級(jí)電容充放電管理的解決方案

針對(duì)汽車的低 Iq 方案

一輛汽車放置很久的話，就不容易打著火，主要原因很多車載設(shè)備在汽車不啟動(dòng)的時(shí)候并沒有關(guān)閉，而是處于待機(jī)狀態(tài)，導(dǎo)致電瓶電量耗光。因此對(duì)于汽車電源系統(tǒng)來說，超低功耗的待機(jī)同樣很重要，可以極大提升用戶體驗(yàn)。TI 也將低 Iq 技術(shù)用于多款汽車芯片上，從而延長(zhǎng)電源的使用壽命。

比如 TI 新推出的 LMR43620 和 LM43620-Q1，3V 至 36V、2A 同步降壓穩(wěn)壓器，Iq 在 150℃ 下依然可以小于 3μA，在 1mA 輕負(fù)載情況下仍可實(shí)現(xiàn) 85% 的效率。LMR43620-Q1 控制架構(gòu)和功能集經(jīng)過優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)超小型解決方案尺寸。該器件使用峰值電流模式控制，可更大程度降低輸出電容。LMR436x0-Q1 利用假隨機(jī)擴(kuò)頻、低 EMIHotRod 封裝和經(jīng)過優(yōu)化的引腳排列，更大程度地減小了輸入濾波器尺寸。

另外一款則是 TI 推出的低 Iq 汽車級(jí)理想二極管 LM74720，相比標(biāo)準(zhǔn)二極管或 P-FET 而言實(shí)現(xiàn)了更低功耗和更低成本，其 Iq 僅為 35μA。LM74720-Q1 理想二極管控制器可驅(qū)動(dòng)和控制外部背對(duì)背 N 溝道 MOSFET，從而模擬具有電源路徑開/關(guān)控制和過壓保護(hù)功能的理想二極管整流器。該產(chǎn)品具有快速響應(yīng)特性，具有快速導(dǎo)通和關(guān)斷比較器的強(qiáng)大升壓穩(wěn)壓器，可以支持 200KHz 有源整流，從而對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高級(jí)別系統(tǒng)保護(hù)。

總結(jié)

待機(jī) Iq 長(zhǎng)期以來一直是一個(gè)問題，但長(zhǎng)期以來并不受到重視，主要原因無外乎相對(duì)于其他系統(tǒng)損耗或者待機(jī)功耗而言，這部分并不突出。而隨著電池設(shè)備的越來越多，處理器等功耗也越來越低，業(yè)界開始逐步意識(shí)到延長(zhǎng)電池壽命期和貨架期與 Iq 息息相關(guān)。

TI 通過突破性的工藝和架構(gòu)設(shè)計(jì)，使低 Iq 特性廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，如直流/直流轉(zhuǎn)換器、電源開關(guān)、低壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 、監(jiān)控器、理想二極管等電源管理系統(tǒng)的不同組件中，并廣泛涵蓋從工業(yè)儀表應(yīng)用、汽車傳感器和個(gè)人可穿戴設(shè)備等設(shè)備。

原文標(biāo)題：TI 專家與知名 UP 主現(xiàn)身說“法”，聊聊電源低功耗那些事兒

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