隨著物聯網(IoT)的蓬勃發展,電池壽命的重要性不斷提升至前所未有的境界。每個IoT節點都需要電池才能運作。一個雙口之家可能隨時都有20至60顆電池在使用中,消費者不能被不斷更換電池所累。系統設計者計算電池壽命時使用的關鍵參數包括中央控制單元的工作電流、休眠電流以及深度休眠電流,例如微控制器(MCU)以及藍牙和感測器等其它外設。

然而,這還遠不及其所需。電源本身是系統的心臟,為系統的每個功能模組供應能量。供應商一向不遺餘力地推出嵌入於MCU、感測器以及各種不同數位模組的新型低功耗技術。然而,如果沒有高效、可靠的電源,系統必將‘問題纏身’,而且由於電池比預期消耗更快而枯竭殆盡。

如果不嚴謹考慮電源系統設計的具體細節,就無法實現較長的電池壽命。高效率電源是延長電池壽命的最重要因素。

原因在於大多數IoT節點設備的功耗特性類似於圖1所示。當裝置存放在貨架上時,處於關斷模式,一直到消費者購買後才使其開始運作。這些裝置在其壽命的大多數時間都處於待機模式,只是偶爾被喚醒透過網際網路協定發送資料。

20160914 Maxim TA31P1 圖1:IoT節點裝置的功耗特性

以家庭安全系統為例,其壽命中的大多數時間都處於待機模式,並根據使用者的活動而被啟動。毫無疑問地,系統的工作消耗電流對於延長電池壽命是非常關鍵的,但並不像每個元件的待機電流那麼重要。那麼通常什麼因素對整個系統的待機功耗影響最大呢?答案就是電源。

電源供應的核心

大多數情況下,低功耗、保持有效電源的核心是穩壓器,它可能是升壓或降壓的開關穩壓器或是低壓差(LDO)穩壓器。在有些複雜的情況下,它也可能是包含多種電源結構甚至充電器的電源管理晶片(PMIC)。在待機模式期間,功耗是由靜態電流定義的,也往往稱為IQ。在輕載的工作條件下,靜態電流對於系統的功率轉換效率可能具有非常大的影響。

每當提及靜態電流時,大多數的工程師就會想到偏置某個元件所需的電流——這是很簡單的概念。然而,當我們把它應用到電源時,這個概念就會變得稍微複雜些。

開關穩壓器和LDO

DC-DC開關穩壓器: 靜態電流是轉換器在不使用時保持活躍的最小電流;它無需切換、無負載,就能夠被啟動。靜態電流是以最小狀態‘啟動’(on)所使用的微量電流,開啟IC即隨時可進行作業。靜態電流是IC汲取的穩定待機狀態電流,所有的靜態電流都降至最低。由穩壓器汲取的總輸入電流應該是靜態電流(IQ)和輸入電感電流(IIN’)的總和,如圖2所示。IQ並不隨負載變化,但輸入電感電流則由負載和轉換效率決定。

20160914 Maxim TA31P2 圖2:開關穩壓器中的靜態電流

例如,在輕載待機條件下,假設VIN = 12V,VOUT = 3.3V,電感電流IIN’= 60uA,IOUT = 200uA

20160914 Maxim TA31F1

這意味著低靜態電流直接轉換為較高的效率,特別是在輕載時。例如,某個轉換器IQ = 15uA,根據以上公式算得效率為73%;而對於IQ為30uA的轉換器,效率則將降低至61%。效率越低就意味著功耗越大、電池壽命越短。

LDO穩壓器: 與開關穩壓器不同的是,我們可以根據靜態電流計算得到工作週期的相關性,其差異僅僅表現在輸入電流和輸出電流之差,如圖3所示。而與開關穩壓器類似的是,靜態電流包括偏置電流和閘極驅動電流。

圖3:LDO穩壓器中的靜態電流。

LDO的轉換效率可用以下公式表示: 20160914 Maxim TA31F2 低靜態電流以及低壓差,是最大程度提高轉換效率的必要條件。例如,Maxim的MAX1725 LDO靜態電流為2uA,壓差為300mV。如果輸出電壓為2.5V、輸出電流為5mA,那麼至少需要2.8V的輸入電壓用於調節。其轉換效率計算如下: 20160914 Maxim TA31F3 靜態電流和壓差都影響效率曲線及LDO。輸出電流越低,靜態電流對轉換效率的影響越大。

靜態電流與關斷電流

針對靜態電流與關斷電流的差異,一向存在各種疑問,二者也經常被混淆。關斷電流是裝置處於‘休眠’狀態而無法隨時作業的電流,而靜態電流則是IC在‘休息’時仍能隨時被喚醒工作的微量電流。此時系統處於閒置狀態,並等待事件發生。設計者一般使用靜態電流衡量電源在輕載時的功耗,並使用關斷電流計算電池壽命(裝置關斷,但電池仍連接到穩壓器)。

實際應用中包括以下情形:充電器仍連接在牆上插座,但並未為手機充電;無線滑鼠未在使用中但也尚未關閉;汽車已熄火,但音響主機仍在工作。在許多以電池供電的應用中,靜態電流指的是在待機條件下,以最小負載驅動從電池汲取到的電流。

無論是靜態電流還是關斷電流都非常重要,因為消費者可不希望充電器由於功耗太大而發熱,也不希望每週都得為電池充電。

總結

為了追求設計具有最長電池壽命的裝置,設計者首先必須從仔細瞭解終端裝置的功耗特性開始。您可以選擇具有最佳低功耗指標的處理器以及數位周邊,但如果沒有正確的電源穩壓器指標,也不能說是成功。在低功耗應用中,不要低估了靜態電流的指標和條件,因為靜態電流可能是影響系統總功耗的主要因素。

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