超低靜態電流成為電池管理的大方向,TI上新4類晶片

電錶無需更換電池，電網監控可節省可觀電量，TWS（真正無線立體聲）耳機減少充電次數，居家攝像頭、資產跟蹤等物聯網產品自耗電越來越低……。近日，德州儀器（TI）電池管理系統產品線經理王世斌先生來京，帶來了四種超低靜態電流（IQ）晶片，並介紹了其應用與相關技術。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201910/405791.htm

 

1 低靜態電流的重要性

首先，IoT的發展促進了電池小型化的需求，當這些產品小型化的時候，如何讓電池做得更小甚至無需電池，就變得至關重要。對於自耗電，靜態電流只有更小，沒有最小。

其次，電池的使用壽命是有限的，一個鋰電池一般是500次充放電。如果把靜態電流做得更小的話，可使待機時間增倍，從而減少充電次數，從而延長電池的使用壽命。

再有，很多時間網際網路產品大部分處於靜態/不工作/監控狀況下，所以功耗大都來自靜態，如果靜態電流做得更小，便可以把充電的次數降低，延長電池的壽命。

可見，如果能把靜態電流做低，可以從多次性的充電電池換成較為便宜的一次性電池，或者減少充電周期。

2 TI電池充電組的創新

TI電池組裡分類很細，有6大類產品（如下圖）。第一類是降壓型DC/DC產品，就是開關電源產品，即LDO；還有升壓型的開關晶片，也包括多通道/相位或者升降壓的晶片；另外一種是比較簡單的線性電源晶片；因為做電源很多時候需要接觸到電源的開關，因此也會有電源開關、接口於照明的產品，如LED 燈；還有相對高壓的產品，例如TI於2018年發布的AC/DC GaN（氮化鎵）控制器產品；最後是電池管理產品。

此次TI帶來的4款新品主要是TPS7A02線性穩壓器，另外三款是充電晶片BQ25619，降壓型穩壓器TPS62840，還有TPS3840監控器。這四款產品都具備自耗電比較低的共通特性，與前代相比降低了數倍。

為何電池充電組有TPS和BQ系列之分？實際上大部分TPS和DC/DC電源相關，BQ與電池相關。

2.1 線性穩壓器TPS7A02：低靜態電流、穩壓

2019年9月18日，TI剛剛出爐這款超小型、低壓降線性穩壓器（LDO），亮點是靜態電流約25 nA，比前一代降低了約40倍（如下圖），這意味著待機時間延長了40倍！

 

低靜態電流只是此款LDO關鍵的一部分而已，一款優秀的LDO還需要具備多種功能，最主要的功能是穩壓，此款LDO對瞬態電流響應較快，對應50 mA的負載，它在5 μs就可以響應過來。響應速度非常關鍵，如果一個LDO響應不快，一個負載來了以後，系統可能就垮掉了，於是也起不到線性穩壓器的作用。

新的TPS7A02另一個優勢是體積小，只有0.65 mm×0.65 mm的封裝，比前代小了70%。這意味著可以適應各種場景去應用，尤其是可用於微型中。

TPS7A02的應用主要有四大類。

●電網基礎設施。例如電錶。因為一般電錶裡採用一次性電池，不過，需要派人定期去更換電池。有了這種靜態電流LDO，基本上在電錶壽命周期裡無需更換電池了。

●樓宇自動化。例如攝像頭也同樣適用。在人少的地方，攝像頭大部分時間處於休眠狀況，只有人走過時才會啟動攝像，所以自耗電對其非常重要的，可能比工作耗電佔的比例更大。

●醫療。一些傳統醫療設備有電池充電的產品。這些醫療設備有很精準的ADC或信號鏈產品，因而耗電較高，所以電池通常較大。不過，一般家庭並不會每天用到這些設備，所以很多時候設備處於待機狀態。靜態電流低便可減少充電的次數，達到更長的待機時間。

●可穿戴產品。

2.2 開關穩壓器TPS62840：靜態電流65 nA

開關DC/DC穩壓器可滿足始終開啟的應用需求。

上一節的LDO靜態電流是25 nA，而本節的開關穩壓器TPS62840為何是65 nA？關鍵在於工作時間長短。眾所周知，開關電源的效率較高，在這種場景下，客戶需要權衡設備在靜態和動態的時候分別有多少時間？在動態多的場景，用開關DC/DC是比較好的，在靜態多的時候用LDO較好。

在動態時間比靜態時間長的場合，開關DC/DC在靜態時還是能得到65 nA的靜態電流，也是令人滿意的。

從實現原理分析，與前代產品相比（360 nA，如下圖），新的TPS62840是65 nA，這是非常難達到的，需要在開關鍵裡不斷更新上關與下關，所以靜態電流會比LDO高，但是比前代靜態電流已經低了6倍。而且封裝更小了，從以前6 mm2縮小到3 mm2。從DC/DC來說，效率也非常重要，該晶片能做到在1 µA負載下提供80%的超高輕負載效率，已經非常難得了。如果在更高負載的情況下，例如300 mA時能做到超過90%甚至95%。

另外一個特色是在晶片裡，一般開關電源都會遇到開關時噪音很大的問題，這會對ADC的數據採集造成影響。因此TI做了2個模式，一個是停止模式，即當要採集特別敏感數據的時候，可以把開關電源稍微停下來，用外掛電容為系統提供短時電壓。當然時間是非常短暫的，因為是靠外掛的電容，但是是非常靜態的，噪音等級與LDO已非常接近。

再有，新的TPS62840適合的電壓也是比較廣的，最高能達到6.5 V。因為在此設計裡已經考慮到多種化學電池的使用場景，對各種電池電壓都能適應，例如有些是鋰電池4.2~4.5 V，一次性電池有些是AA電池為1.2 V，用三四節，因此四點幾伏、5 V、6 V都有可能用到。

場景應用方面，包括前述的電網設備。電網設備有時可能傳輸數據比較頻繁，工作時間較長，這時需要用到開關電源；如果在瞬時狀態較多的場景，可以選剛才上一節介紹的LDO穩壓器。

在樓宇自動化場景，典型的應用是IP攝像機也可能用到DC/DC，用來對影像進行處理。電流負載較大的場景會提供較高效率的DC/DC。

消費類的產品的待機時間也非常重要，大家都不喜歡一個耳機今天充完電，幾個星期以後拿出來電已耗盡。因此在消費類產品中，低功耗也是非常流行的。

TI也為此款DC/DC做了參考設計，特別是對鋰二氧化錳電池做了優化。TI在設計晶片時對各種電池，尤其是有目標電池進行了目標性的應用，如果客戶需要的話，可以到官網上拿到參考設計。

2.3 監控器TPS3840：高輸入電壓、高效率

通常監控器在大部分時間不工作，需要它工作的次數可能很少，因為它是復位的晶片，在系統異常的時候才會發出復位的信號。由於這類產品99.99%的時間處於睡眠狀態，因此也需要非常低的自耗電。不過在監控過程中，裡面配置的比較器或參考電壓會對過壓和低壓做保護，會對系統做復位，這也解釋了為什麼這種自耗電是系統必備的。

監控器TPS3840是適用於納米級供電設計的一系列高輸入電壓、高效監控器。

該晶片的主要特性是它可以在10 V操作，外部加2個分壓可以做到20 V的耐壓，是350 nA的自耗電（註：所以它在大部分場景耗電是非常低的），而且精度高，能做到1%，例如監控4 V的系統，1%就是4 mV，是非常高精度的。

在一些特別場景中，客戶有時會用多個監控晶片。因為該監控晶片可以做啟動的作用，特別是開關持續啟動，例如可以用這個晶片去監控電源，當電源達到一定電壓時，會對LDO做復位或者Enable。

在應用上，可以對電網做監控。而且在電網裡是需要很多監控晶片，如果能把每個監控晶片的靜態電流都降低，省電量是非常可觀的。

另外也可以應用在樓宇自動化設備，因為它們大部分時間也都是待機狀態。

特別地是EPOS（電子銷售終端）。EPOS為什麼要用復位晶片？在刷卡或刷二維碼時，EPOS會與中央系統進行通訊，認證終端客戶的身份。如果系統在中間出現異常，交易便會取消。因此復位晶片是非常重要的，因為它可以監控系統異常，進行復位，取消相關交易，使金融交易在比較穩定的環境裡進行。

此外，低靜態電流會對可穿戴產品有優化的效果。

2.4 開關充電器BQ25619：截止電流20 mA

前三節過的產品都是nA級的，使有些產品本來需要大電池，現在可用小電池或一次性電池。

但是有些設備一定要充電，因此需要高效、高精度的充電器。為此，TI推出了BQ25619，堪稱業界極低截止電流的開關充電器。

業界的一個趨勢是電池的容量越來越大，例如以前一般手機是2 A的電池，現在已經漲到3 A；自2018年以來出現了一個反轉，即在同樣待機時間裡，把電池做得更小、更便宜。小電池又產生另外一個問題——截止電流，例如以前1 A電池的截止電流是10%，即做100 mA就夠了；現在如果把電池做得很小，做到200 mA，截止電流也要非常小，否則如果還是100 mA，電池就充不飽了。

 為此，TI祭出了低截止電流產品BQ25619，截止電流只有20 mA。這時再充一塊200 mA的電池，充到10%的截止電流即20 mA，這樣電池還是充到一樣的飽，延長了小電池的充電周期。此外，據TI估算，對一個電池充到20 mA時，可增加7%的電池電量，這樣可以多出7%的使用時間。

不僅如此，新一代的BQ25619充電器帶三合一功能。不僅充電；而且在充電過程中，還可以對電池進行過壓過流的保護；第三，業界很多TWS耳機有電池對電池充電的功能，這個電池放在小盒子裡，對外部的耳機做充電，因此，該晶片還帶升壓功能，把電池例如從3.8 V升到5 V，來對耳機充電，好處是本來你可能要一個充電IC+升壓IC，當把它們集成在一起後，可以共用一個電感，節省了PCB（印製板）空間和成本。

在小型產品的應用場景裡，由於電池極小，因此自耗電至關重要。以前的電子產品上常有膠貼，把電池與系統隔離開，當拆包使用時，再把這個膠貼拿走。但是如果做到電子系統的自耗電低，就可以做成電子膠貼。TI新的BQ25619已經做到6 mA級，可以延長待機時間，可使設備經歷數月的長途運輸和線下儲存，終端客戶拿到產品以後，只要按一個按鈕就可以啟動。

另外的應用案例是運輸資產追蹤場景中，充電器會延長使用的時間。

BQ25619是開關電源的充電器。實際上，TI也有相對應的線性充電器產品。這些充電器適合更小的電池，例如耳機的電池，也同樣適合長途運輸模式，可以達到更低的400 nA。因為它是線性的，而且對系統做了一些整合，帶了整合的LDO與ADC做數據採樣，因此對資產追蹤是非常適合的，因為可以用ADC採集溫度，用LDO為MCU供電。

3 熱門問答

問：LDO產品TPS7A02的靜態電流為何能降低近40倍？

王世斌：主要是從工藝和電路方面改進。

例如LDO，TI採用了最先進的工藝對靜態電流進行優化。另外在電路上進行創新，在LDO裡重點有兩方面，一是怎樣把參考電壓做得更準更低。二是一般有個迴路，是放大器，這個放大器在工作條件下怎麼做到非常低，同時還要確保響應時間非常快，不然瞬態電流會不好。

問:為何能把開關穩壓器TPS62840的靜態電流做低？

王世斌：PMW要做得很低，或DCS的控制頻率開關要做得好。

所以在電路設計方面有兩個方面，基礎的電路做得好是首要的；其次，個別產品有個別電路需要做得更低，需要一個個模塊細化去分析哪個模塊耗電較高，為每個模塊做一個優化。

問：電池管理組有六大產品線，另外兩個產品線也需要低靜態電流嗎？

王世斌：高壓的技術相對來說是不一樣的，高壓也是需要AC/DC，因為它在牆上，它可能關注的不是靜態電流，是高效率的輕載模式、待機。

另外電源開關也有些相關的低靜態電流產品，只是今天沒有新品介紹，畢竟開關也是很基礎的器件。

問：BQ25619在使用的時候，需要和此次介紹的其他晶片配套嗎？

王世斌：不需要。有時候它們是配套使用的，因為它們有一個互補的關係。為什麼呢？一般線性充電電池比較小；開關電源因為充電電流比較大，需要效率，所以一般是在大電池的時候用開關電源。即一般0.5~1 A以下用線性充電，1 A以上用開關電源充電。

還有一些特殊場景，例如業界有些快充的產品，可能用200 mA的電池快充，2C充電，半小時要充完，這時可能要0.4 A的充電電流，加上微型化的時候會比較燙，客戶在這種場景下會選擇開關電源充電，使它的效率提升。畢竟LDO充電效率物理上沒那麼好。

問：靜態電流現在到25 nA了，是不是再往下做很困難了？

王世斌：可能是非常困難的。不過，就算能做到更低，對有些場景已經沒什麼好處，要其他業界配合。例如今天你用這個產品做一個一次性電池，自耗電比25 nA更高，我用這個產品就足夠了——因為假設比25 nA更低，對系統也沒有什麼幫助。

將來我們會發現一些新的電池，它的自耗電更低，我們就可以把這個做得更低了，就有好處了。

所以今天來說，25 nA還是非常有競爭力的，在系統設計上面，如果用上這些產品的話，他們不需要再考慮靜態電流對其系統的影響。

問：如何提高無線耳機的待機時間？

王世斌：無線耳機用的時間比較短，本身有幾個問題：一個是電池比較小，物理上就局限了用電時間。要優化它有幾個方面。首先，耳機的耗電要低，這個看起來是比較困難的，因為現在耳機剛起步，功能上都在優化，所以耗電較大。另外要把小的電池充得飽，一般耳機電池是30~50 µA，我們要把這個電池充得飽，就要把截止電流做得低才能充得飽，剛才介紹的線性充電器的截止電流可以做到1 mA，你用30 mA的電池充到截止電流1 mA，就可以充得飽飽的，如果用30 mA，用一個一般的線性充電器，可能截止電流在5 mA，可能只充到90%飽，損耗了10%的用戶時間。對這種產品來說，截止電流非常重要。再有，截止電流精確度是非常重要的，我跟你說1 mA的截止電流，可是精確度是±5 mA，那它的用戶體驗是不一致的；但是如果做到±1 mA，用戶體驗就非常一致了，每次都充得足夠飽。

問：此次新的LDO產品從2018年到2019年就有25倍的提升，新的開關穩壓器卻從2014年到2019年，歷時5年多。為什麼後者的創新時間會很長？

王世斌：主要是電路方面的區別：開關電路裡涉及到的模塊比較多，研發時間需要比較長；相比之下，LDO模塊比較少。另外是客戶的需求。

問：2022年和2023年的規劃？

王世斌：可能每兩三年都要做一個更新換代，下次可能跟大家介紹的這個是更低，也可能它的響應時間更快。我們還是要看終端客戶的反饋，再去做一個優化。因為一個產品也不能只單看靜態電流，例如EMI的噪音或者是效率等。像2018年，TI曾向中國的媒體發布了高效率的產品，此次介紹低功耗的產品，將來會帶來更多不同的、解決不同客戶問題的新的產品。

問：這四種產品的尺寸小，主要是封裝技術的改進，還是裸片的面積減小了？

王世斌：主要是綜合考慮，一般這種晶片的研發都是從封裝、工藝跟電路上面去做一個綜合的考慮。

製程方面，現在基本上採取12英寸的晶圓工廠。

       問：你講的這四種產品，一個系統裡理想的是這四種都有，有監控、有電池保護、有升壓和降壓。為何不把它們集成起來？

王世斌：比如今天我把這四種產品集中，對某一個客戶可能是非常好的，但對另外一個需要2個LDO的客戶就不合適了。可能有些客戶只是在LDO和開關電源裡選擇一個對系統進行供電，那可能客戶就多買了器件的功能。對於TI來說，集成的也有，非集成的也有。    

問：現在有很多MCU、SoC也集成了這些功能，和你們用分立器件相比，哪個更好？

王世斌：要看應用場景。有些產品，比如手錶，有些集成，有些不集成。有些非集成的性能更好。另外很多客戶產品是需要做產品差異化的，不能大家都用同一個模塊，它可能在這個模塊上再加其他單獨的功能，它要突出差異化。這種時候它可能集成起來不那麼方便，因為性能達不到它需要的效果。

例如，有些手錶用的是友商的MCU，可能想用TI的LDO，因為該手錶的賣點是低功耗；或者這種手錶本身集成晶片沒有心跳監控器的，手錶要加心跳監控器，這個心跳監控器就要耗電了，那麼它可能就需要LDO或DC/DC供電。

問：你們分類很細，有做電池保護，你是做電池管理？

王世斌：我們大的組是電池管理，我下面這個產品線是電池充電組，還有電池電量計組和電池保護組。

問：您服務了這麼多領域，認為哪一領域增長最快？

王世斌：傳統TI都是做消費類，現在TI是三大領域都做，汽車、工業、消費類，將來是汽車和工業都會有一個比較快的增長。我們從這三類產品來說，如果工業和消費類對低IQ產品需求都比較大的，可穿戴產品需要低IQ，很多工業類產品，一些IoT的產品很多時候都是監控待機。所以，我們從整個市場方向來說這幾個市場都需要低IQ做研發規劃。