如何有效延长电池和系统寿命？

在工业环境下，许多产品都是静态监控状态，每隔数分钟甚至是数小时才采集监测一次数据，所以理想的状态就是使得相同的电池产品能够获得加倍的待机时长、减少充电次数，甚至是能够达到完全不需要更换电池的程度。那么如何才能达到如此的状态？

近日国内厂商大动作不断，从华为发布的“AI训练集群Atlas 900”，再到阿里巴巴旗下平头哥发布的 “含光800”及 “SoC芯片设计平台‘无剑’”，无疑都指向AIoT和自动驾驶等领域。然而仅仅拥有夯实的神经网络芯片基础是远远不够的，电源这一方面是更容易被忽略的……

现如今无论是家用产品还是工业产品，都逐渐靠向无线、便携方面发展，然而这种设备的电池是需要频繁充电的，并且使用寿命也非常有限，繁琐的充电与电池更换一方面使得维护变得愈发困难，另一方面也相对增大了维护成本和更换成本。

值得一提的是，尤其是工业环境下，许多产品都是静态监控状态，每隔数分钟甚至是数小时才采集监测一次数据，所以理想的状态就是使得相同的电池产品能够获得加倍的待机时长、减少充电次数，甚至是能够达到完全不需要更换电池的程度。

那么如何才能达到如此的状态？这就不得不提到静态电流。2019年9月18日，德州仪器（TI）于北京召开了题为“超低静态电流(IQ)的电源管理——解决当今及未来的设计挑战: 有效延长电池和系统寿命”的发布研讨会，会上德州仪器电池管理系统产品线经理王世斌展示了其在超低静态电流（IQ）的四款产品。

图1：德州仪器电池管理系统产品线经理王世斌

低IQ带来的想象力是无穷的

所谓静态电流（IQ）即是负载电流之外部分的电流和电源芯片自身消耗的电流，而除去静态电流的系统就称之为最小系统。为顺应电子设备微型化的趋势，就需要更长的电池使用寿命。为满足该需求，就需要更低的静态电流 (IQ)。

王世斌表示，低IQ在延长电池寿命与储存时间、实现更多功能、延长系统使用寿命以及降低系统成本方面发挥着关键作用。

王世斌现场为记者介绍，一方面，使用电池运行的电源系统需要低待机功耗以延长电池寿命，并提供更好的用户体验；另一方面，非携带式电子设备需要更精确的产品服务结束周期侦测 (end-ofservice detection)和更大的待机电源效率，正因如此所以驱动着低IQ的需求。

通过静态电流的降低，待机时间将更长，充电次数也随之减少，这可以为整个产品带来更少的人力成本、系统整体成本和维修成本。另外，值得一提的是在静态电流做到足够小的情况，工程可以拥有更多的发挥空间，诸如将多次充电的电池更换为一次性电池，既让静态电流更下降了一步，甚至可以在产品更新换代前完全无需更换电池。

“德州仪器一直致力于电池方面的发展，同时也处在业界的领先地位”，王世斌表示，TI电源组中可以分为六种不同类型的相关产品，其中四个方面则与本次讨论的IQ有关。

图2：TI电源的6种不同类型产品和4个静态电流相关产品

“电池使用时长和寿命是有限的，一般来说锂电池可充电500次并需要一星期甚至一天充一次电，而通过TI的低IQ系列产品芯片，可以让充电时间延长至两天甚至是两星期”，王世斌如是说。

TPS7A02：适用于瞬态场景的线性稳压器（LDO）

这款于9月18日发布的线性稳压器LDO，作为业界比较领先的LDO，静态电流低至25nA，比前一代耗能降低大约40倍。新型稳压器在压降的条件下 也能在轻负载时实现超低 IQ 控制。

图3：TI线性稳压器（LDO）产品历史

另外，该款LDO更具诱惑的优势则是拥有着超小的体积，DSBGA封装尺寸只有0.65mm×0.65mm，可帮助工程师将解决方案尺寸缩小70%。对于1至50 mA 的负载瞬态，能够在5 us以内响应，仅为竞品器件瞬态响应时间的一半。

王世斌现场介绍时表示，如今TPS7A02将静态电流做到了25nA，而这并不意味着结束，根据市场的不断变化和需求，未来该系列产品的静态电流也将越做越小。

图4：TPS7A02 LDO的优点

此款芯片在应用上也非常广泛，诸如电网基础设施中由于电表中多为一次性电池，而且体积普遍较小，一般拥有一定寿命周期，由于功耗太高相隔一段时间就需要更换，应用这款芯片甚至可以让电池耗电比LDO更高，在生命周期内无需更换电池，既节省了人力也节省了成本。

另外在家居或自动化场景下，例如监控摄像系统，一般处于待机状态，只有在检测到移动时才会录像，这种场景下对于自身的静态电流的要求则更大，所以此款芯片也可以大大增强了电池寿命，减少成本。

当然在医疗方面和可穿戴设备上，同样如此，静态电流对于整体电池的影响是非常大的，正因TPS7A02兼具25nA的超低 IQ和快速瞬时回应，有助于提高系统寿命及性能，所以此款产品的应用是非常广泛的。

TPS62840：可满足始终开启的应用的需求

这款于7月15日发布的开关稳压器，静态电流大约为60nA，比前一代耗能降低大约6倍，并且尺寸从2mm x 3mm降低至1.5mm x 2mm。可能会有人疑问，既然TPS7A02仅有25nA为何还要应用60nA的TPS62840，究其根本来说，该款产品对于长时间处于开启的动态设备来说，会具有更好的性能，TPS7A02则更适用于瞬态场景。

图5：TI降压转换器产品历史

TPS62840具有非常多的优点，首先，可以延长电池运行时间，在 1-μA 负载下，可提供80% 的超高轻负载效率，帮助设计人员延长系统的电池使用寿命。

第二，在性能方面，开关噪音过大时，会对ADC一些产能位置构成影响，该款芯片在此方面较为特色的功能便是在需要采集敏感数据时进入可选模式或停止模式，能够改善噪声性能并在数据传输过程中减少信号失真。

第三，拥有更广的应用范围，输入电压范围为1.8VIN – 6.5 VIN，适用于多种电池化学应用和配置。

第四，工程师可以利用新型开关稳压器减少一半的电池使用数量，或者在设计中使用更小的电池。

图6：TPS62840开关稳压器的优点

王世斌表示，TPS62840在超轻负载下的效率较同类型器件高出30%，适用于各类由电池供电的工业和个人电子产品应用。特别是在采集数据较为频繁或长时间工作的场景下，TPS62840具有独特的优势，而在瞬间状态比较大的场景下，TPS7A02则更加合适。

当然，TI也会提供该款产品的相关参考设计，特别是针对锂二氧化锰(LiMnO2) 电池进行了优化，拥有适用物联网相关应用的窄频无线模块供电的参考设计，支持采用LiMnO2电池的智能流量表等三种不同的电源架构。

TPS3840：纳米级供电与高精度的监控器

这款于2019年第一季度推出的开关稳压器，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。一般来说，监控器大部分时间都是不工作的，只有在系统异常时才会获取复位信号，因此这款产品拥有低IQ的意义就更加重要了。

图7：高输入电压、高效的监控器TPS3840

TPS3840拥有纳米级的功耗与超高精准度，IQ仅为350nA，在保证了整套监控过程中的安全可靠以外，可延长电池使用寿命。

图8：TPS3840电压监控器的优点

在参考设计方面，TI提供适用于保护继电器模块且具有诊断功能的非隔离式电源架构参考设计，展示了非隔离电源架构支持具有模拟输入/输出的继电器以及由5-、12-或 24-V DC输入生成的通讯模组。

另外，采用独立转换器ADC的高精确度分相CT电表参考设计，借助高性能、多通道模拟数字转换器可实现0.1级分相电能量测。

正因为TPS3840拥有高精准度的监控并且拥有纳米级的功耗，所以特别适用于电网基础设施、楼宇自动化、电子销售终端（EPOS）和便携式电子设备。特别是EPOS在刷卡或扫描二维码时会与中央系统进行通讯确认用户身份，如果在系统中出现异常交易就会取消。在此过程中就涉及到了复位，因此复位芯片是至关重要。

BQ25619：超低截止电流的开关充电器

近年来，随着功耗的逐渐降低，越来越多的产品的电池也越做越小，然而在此过程中如果截止电流仍然保持过去的水准，那么电池电量是不能充到理想的状态的，而这部分的电池电量就可以看作电池更多的使用时间，从而减少充电次数。所以，这款9月6日推出的业界更低截止电流的开关充电器，在延长电池使用寿命上具有独特的优势。据王世斌介绍，该款可让电池容量提高7%左右。

图9：BQ25619开关充电器的优点

低截止电流有助于医疗和个人电子产品应用，如助听器、耳塞和无线充电盒。随着电池容量的增加，以及可设定充电计时器的辅助，使耳塞和充电盒的电池运行时间延长，大幅延长电池寿命，并减少使用时的充电次数。

设计者可以更快上手

TI在电源市场的占有情况一直是领先的，这四款产品对于电源设计工程师来说，在紧凑的空间内兼顾高精准和更长的电池寿命将带来无限的创造性。过去在静态电流较高时，或许会花费许多时间进行优化调试，而应用这几款产品可以节省很多时间和资源。

这四款产品在业界已是非常领先的水平，而随着市场的不断更新，客户需求下，更低IQ的产品也将不断涌现。

值得一提的是，在客户支持上，TI不论在线上还是线下均拥有详细的电源管理资料，参考设计、培训将简化工程师从入门到专家的过程。