本文重點介紹了在不同電源應用中實現(xiàn)納安級 I_Q（靜態(tài)電流）的各種設計機制及其挑戰(zhàn)。

　　內(nèi)容概覽

　　1.納安級 I_Q 在不同電源應用中的重要性

　　隨著每一代設備的推出，延長電池壽命的需求日益增長，因此對降低 I_Q 的要求也在不斷提升。

　　2.在工業(yè) BMS 監(jiān)控器中實現(xiàn)納安級 I_Q

　　通過切換到僅在需要時啟用器件基本功能的功耗模式，并利用電路層面的創(chuàng)新來降低 I_Q。

　　3.在電壓監(jiān)控器中實現(xiàn)納安級 I_Q

　　為了延長電池壽命、實現(xiàn)常開式監(jiān)控，需要毫微級IQ，同時需要低延遲才能實現(xiàn)快速故障報告。

　　當芯片處于待機模式時，其功耗由其低靜態(tài)電流 （I_Q） 定義，這里靜態(tài)即指電路在未驅(qū)動任何負載時的安靜狀態(tài)。在電池管理系統(tǒng) （BMS） 監(jiān)控器、BMS 充電器、電壓監(jiān)控器和直流/直流轉換器等電池供電型汽車和工業(yè)元件中，低I_Q 延長了待機運行時間。但這些器件確實需要在待機模式下消耗一定的 I_Q，以便維持高優(yōu)先級功能和基本的功能安全特性，同時實現(xiàn)系統(tǒng)快速喚醒至運行模式。

　　納安級 I_Q 在不同電源應用中的重要性

　　隨著每一代設備的推出，延長電池壽命的需求日益增長，因此對降低 I_Q 的要求也在不斷提升。這些設備可以配置為在正常模式、睡眠/待機模式或關斷模式下工作。正常模式只占電源應用任務剖面的一小部分 [1]；這類產(chǎn)品大部分時間都處于待機模式。在正常模式下，由于存在突發(fā)的高速通信，從電源汲取的電流可能為幾毫安，而在進入睡眠或待機模式時，電流可能為幾納安。納安級工作模式可以節(jié)省電量，從而延長電池壽命。

　　本文討論了在工業(yè)和汽車 BMS 電池電壓監(jiān)控器、充電器、直流/直流轉換器和電壓監(jiān)控器等不同電源應用中實現(xiàn)納安級 I_Q 的設計機制及其對應的挑戰(zhàn)。一方面，實現(xiàn)更長電池壽命需要納安級 I_Q；另一方面，集成電路 （IC） 需要消耗一定的 I_Q 來支持系統(tǒng)喚醒等功能。

　　在工業(yè) BMS 監(jiān)控器中實現(xiàn)納安級 I_Q

　　電動工具和電動自行車等許多電池供電產(chǎn)品都需要在不同的電源狀態(tài)下平衡功能和 I_Q。例如，處于運行狀態(tài)（觸發(fā)器觸發(fā)時）的電動工具可能會消耗數(shù)安培的電流，這使得電動工具中所用電池監(jiān)控器的 I_Q 相對于系統(tǒng)的其余部分來說可以忽略不計。但是，同一電池供電的電動工具可能會在桌上靜置數(shù)小時或置于睡眠模式數(shù)天時間，同時啟用基本的保護功能。電動工具還應能夠快速響應觸發(fā)器觸發(fā)。在這種低功耗狀態(tài)下，BMS 監(jiān)控器的 I_Q 就變得尤為重要。

　　通過確保在睡眠模式下仍具備有效保護、已啟用的穩(wěn)壓器（以保留系統(tǒng)微控制器 [MCU] 中存儲器的內(nèi)容），以及通過模數(shù)轉換器進行的占空比電壓、電流和溫度測量，該系統(tǒng)仍能受到全面保護并準備好快速進行響應，同時相對于工作模式將功耗降低至十分之一或更低。TI 工業(yè)監(jiān)控器具有多種睡眠模式選項，允許您選擇是否使保護功能保持活動狀態(tài)（使放電路徑保持啟用狀態(tài)），是否將低壓降穩(wěn)壓器保持啟用（以允許系統(tǒng) MCU 保留存儲器內(nèi)容并在幾微秒而不是幾毫秒內(nèi)恢復），以及多種占空比電壓、電流和溫度測量選項，從而實現(xiàn)可進行定制來優(yōu)化功耗和性能的安全、可操作睡眠模式。

　　在汽車 BMS 監(jiān)控器中實現(xiàn)納安級 I_Q

　　電池控制單元 （BCU） 通常集成了 BMS 的主 MCU，并由12V 電池供電。MCU 無法直接以 12V 供電，因此電路板上會有直流/直流轉換器或電源管理集成電路，用于產(chǎn)生MCU 的電源。BCU 上還具有 BMS 橋接器件，其作用是將 MCU 的串行外設接口/通用異步接收器/發(fā)送器通信協(xié)議轉化為電池監(jiān)控器的隔離式菊花鏈。

　　12V 電池會在車輛行駛期間充電，因此 12V 電壓軌的電流消耗不太重要。當車輛停車且未進行充電時，高壓接觸器會斷開，因此 >400V 電池會與系統(tǒng)斷開連接，并且無法為12V 電池充電。盡管如此，12V 電池仍需為 BCU 和其他常開功能（例如遙控鑰匙鎖門或開鎖）供電，而且供電時長尚不確定。低功耗對于這類常開設備非常重要。通常，對于所有常開功能，原始設備制造商 （OEM） 希望從12V 電池汲取的平均電流不超過 100μA。完全關閉 BCU可以將 BMS 功耗降至最低，但會導致系統(tǒng)在電池受損和出現(xiàn)危險情況時無法做出反應。相反，OEM 將 MCU 置于極低功耗狀態(tài)，并依賴于橋接器件的反向喚醒功能。如圖1 所示，該功能使得電池監(jiān)控器能夠在發(fā)生嚴重故障時向橋接器件發(fā)出警報，隨后橋接器件喚醒 MCU，以便后者能夠?qū)收献龀鲰憫?/p>

圖 1. 反向喚醒

　　橋接器件功耗越低，汽車在駐車狀態(tài)下能夠?qū)ζ潆姵剡M行安全監(jiān)控而不耗盡 12V 電池電量的時間就越長。TI BQ79600 在睡眠模式下的電流消耗<7μA，這降低了 12V電池的完全放電風險。

　　在工業(yè)家庭自動化充電器中實現(xiàn)納安級 IQ

　　通過使用互聯(lián)網(wǎng)連接設備來對電器和系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理，我們的家居變得越來越智能?？梢曢T鈴是一種不可或缺的智能家居配件，它提供高清圖像和雙向音頻通信功能，讓房主可以通過智能手機與來訪者互動。大多數(shù)可視門鈴都通過硬接線連接到 12V 至 16V 電源，但當現(xiàn)有布線或變壓器陳舊或不兼容時，許多消費者都需要太陽能或電池供電的可視門鈴。為了支持無線連接和門鈴按鈕按壓操作，電池通常非常小。TI 的 BQ25622 和 BQ25638 降壓充電器在僅電池模式下的 I_Q 為 1.5μA，在關斷模式下則為100nA，通過電源路徑設計，可以在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)盡可能地延長電池運行時間。

這些充電器僅在需要時啟用器件的基本功能，從而降低了I_Q，并且能夠通過 TS 引腳監(jiān)測電池溫度，從而確保安全操作。如圖 2 所示，芯片內(nèi)部的開關將連接到 TS_BIAS 引腳的外部熱敏電阻網(wǎng)絡與 5V REGN 引腳隔離開來。通過啟用占空比為 1% 的內(nèi)部開關，該架構有助于消除影響充電器 I _Q 的 99% 熱敏電阻偏置電流。

　　圖 2. BQ25622 和 BQ25638 中的 TS_BIAS 引腳。

　　在運輸模式下關閉系統(tǒng)電壓，同時保持電池供電，可以進一步降低 I_Q。如圖 3 所示，BQ25622 和 BQ25638 集成了一個雙向阻斷內(nèi)部場效應晶體管 （FET） （Q4），該晶體管將電池與處于關斷狀態(tài)的系統(tǒng)隔離開來。運輸模式不僅適用于產(chǎn)品即將出廠裝箱的情況，也適用于設備電池電量不足或用戶希望關閉產(chǎn)品電源的情況。

　　圖 3. BQ25620 方框圖

　　在汽車 BMS 充電器中實現(xiàn)納安級 I_Q

　　2018 年，歐盟強制要求在歐洲市場上發(fā)布的所有汽車都必須配備緊急呼叫 （eCall） 系統(tǒng)。在車輛發(fā)生嚴重道路事故時，該系統(tǒng)將自動聯(lián)系緊急救援人員，將車輛的 GPS 坐標發(fā)送到當?shù)氐木o急服務部門，并以無線方式發(fā)送安全氣囊部署和碰撞傳感器信息。eCall 系統(tǒng)擁有獨立于車輛電池的專用電池，其電量必須足夠支持進行 10 至 15 分鐘的電話通話，在初始通話后 60 分鐘內(nèi)保持蜂窩網(wǎng)絡連接，并確保可以隨時正常運行。BQ25171-Q1 充電器 IC 發(fā)揮著至關重要的角色，負責在車輛啟動后為 eCall 電池充電。在車輛熄火狀態(tài)下，該充電器 IC 將進入睡眠模式，并僅消耗電池的 350nA 電流。低 I_Q 有助于延長 eCall 待機時間，以便為緊急情況做好準備。

　　在電壓監(jiān)控器中實現(xiàn)納安級 IQ

　　在待機模式下，汽車 OEM 為連接到電源電壓軌上的所有電子設備分配了 100μA 的預算。這些電子設備可能包括電源監(jiān)控器、負載開關、保護瞬態(tài)電壓抑制二極管和直流/直流轉換器。電壓監(jiān)控器中的納安級 I_Q 可幫助汽車 OEM 滿足此系統(tǒng)級待機模式 I_Q 預算。盡管待機 I_Q 降低，但電壓監(jiān)控器器件無法延長其待機故障響應時間。功能安全要求規(guī)定了器件的故障響應，其特征是從檢測到報告故障的容錯時間間隔。該時間間隔的設計范圍為 100μs 到 10μs 以下。

　　具有 1.5% 閾值檢測精度的傳統(tǒng)電源電壓監(jiān)控器解決方案在印刷電路板 （PCB） 上采用具有分立式電阻器的可配置分壓器。為了降低系統(tǒng) I_Q，這些分立式電阻器的值需要按比例增大到幾十兆歐。由于面積方面的限制，PCB 設計人員通常不會在其電路板上添加高阻抗檢測電阻梯。因此，電阻梯集成到 TPS37-Q1 窗口監(jiān)控器的裸片上?；鶞事窂缴系牡?IQ 通過以下方式實現(xiàn)：對電壓基準進行占空比調(diào)節(jié)并將基準存儲在電容器上，并通過將內(nèi)部檢測電阻梯構造為非線性電阻梯并重新配置為恒阻區(qū)域和恒流區(qū)域之間，從而在較高電壓下創(chuàng)建具有超高阻抗的檢測電阻梯。

　　TPS37-Q1 等寬 V_IN 窗口監(jiān)控器需要處理外部高電壓輸入和內(nèi)部子穩(wěn)壓電壓之間的電壓擺幅。動態(tài)電路能夠檢測上升和下降轉換，通過在外部高電壓域和內(nèi)部穩(wěn)壓域之間的電平轉換器上啟用臨時的渦輪模式，以縮短系統(tǒng)響應時間，同時保持低 I_Q。

　　在工業(yè)和個人電子產(chǎn)品直流/直流轉換器中實現(xiàn)納安級 I_Q

在諸如計量系統(tǒng)、煙霧探測器、智能手表、醫(yī)療傳感器和助聽器等電池供電系統(tǒng)中，總會有一到兩個電壓軌持續(xù)處于啟動狀態(tài)，以便為系統(tǒng)的微處理器、關鍵傳感器或可能的通信總線供電。這些常開電壓軌需要具有非常高的效率，以便延長電池運行時間，因此降低 I_Q 非常重要。

　　TPS62843 降壓轉換器針對 50μA 至 300mA 的負載電流進行了優(yōu)化，并具有省電模式，I_Q 工作電流為 275nA，關斷電流為 4nA。TPS63901 降壓/升壓轉換器和 TPS61299 升壓轉換器都具有輸入電流限制功能，可保護不支持高峰值電流的電池，例如紐扣電池。TPS63901 轉換器具有動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能，運行期間可在兩個輸出電壓之間進行切換，并可在待機模式下通過降低系統(tǒng)電源電壓來降低功耗。如圖 4 所示，這些直流/直流轉換器中的電阻器到數(shù)（R2D） 電路可設置輸出電壓，這有助于消除反饋電阻器中的漏電流，實現(xiàn)更小的解決方案尺寸和降低設計成本（因為選擇輸出電壓所需的電阻器要少一個）。

　　圖 4. 電源 IC 已啟用，然后 R2D 電路以兩個電流源級別運行：軟啟動和正常運行

圖 5 展示了 LMR36502 降壓轉換器和 TPSM365R15 降壓模塊的超低運行 I_Q。在 20V 至 60V 的整個工作電壓范圍內(nèi)且常開電壓軌需要運行的情況下，4μA 的工作 I_Q 保持相對恒定，從而有助于延長電池壽命。

　　圖 5. FSW = 1MHz 且 VOUT = 3.3V 時的 LMR365R0X 和TPSM365R15 IQ

　　在汽車直流/直流轉換器中實現(xiàn)納安級 I_Q

在傳感器、緊急呼叫系統(tǒng)和區(qū)域控制單元等許多常開型汽車應用中，長待機時間和高輕負載效率至關重要。

LMQ66430-Q1 降壓轉換器專為克服這些挑戰(zhàn)而設計，可在 1mA 負載下實現(xiàn) >85% 的效率，并在 13.5V_IN 下實現(xiàn)1.5μA 的典型空載電流消耗。IC 會在啟動時對 VOUT/FB引腳運行阻抗檢查。如果沒有檢測到外部反饋電阻器，該器件將自動使用內(nèi)部反饋網(wǎng)絡來設置固定的 3.3V 或 5V 輸出電壓，這有助于盡可能地減少反饋網(wǎng)絡中的泄漏并降低I_Q。LMQ66430-Q1 使用一個內(nèi)部低壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 來為 IC 的內(nèi)部電路供電。與使用輸入電壓為 LDO 供電并帶來效率損失的方式不同，LMQ66430-Q1 利用 VOUT/FB引腳提供的相同電壓為內(nèi)部 LDO 供電，隨后偏置所有內(nèi)部電路以盡可能地降低總 I_Q。

　　另一個降壓轉換器 TPS62903-Q1 使用 R2D 接口來設置輸出電壓，從而減少漏電流。隨著負載減小，TP62903-Q1會無縫轉換到省電模式。在該狀態(tài)下，IC 以脈沖頻率調(diào)制（PFM） 模式運行，通過降低開關頻率來在輕負載條件下保持高效率，如圖 6 所示。這會將 I_Q 典型值降低至 4μA。

　　圖 6. 效率與輸出電流間的關系（3.3VOUT，2.5MHz，1μH，自動 PFM 或脈寬調(diào)制）

　　結語

　　納安級 I_Q 與 TI 工藝技術實現(xiàn)的高電壓電源芯片性能相結合，有助于延長多種類型電源應用中的待機運行時間。務必要了解最終產(chǎn)品的任務剖面，以便為系統(tǒng)或 IC 設計設定合適的 I_Q 目標。

　　參考資料

1.德州儀器 （TI）：應對低功耗應用中的低 IQ 挑戰(zhàn)。

2. Zhou, D. et al. “Mission Profile Based System-Level Reliability Analysis of DC/DC Converters for a Backup Power Application.” IEEE Transactions on Power Electronics 33, No. 9 （September 2018）。

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