超低静态电流成为电池管理的大方向,TI上新4类芯片

可见,如果能把静态电流做低,可以从多次性的充电电池换成较为便宜的一次性电池,或者减少充电周期。

2TI电池充电组的创新

此次TI带来的4款新品主要是TPS7A02线性稳压器,另外三款是充电芯片BQ25619,降压型稳压器TPS62840,还有TPS3840监控器。这四款产品都具备自耗电比较低的共通特性,与前代相比降低了数倍。

2.1线性稳压器TPS7A02:低静态电流、稳压

低静态电流只是此款LDO关键的一部分而已,一款优秀的LDO还需要具备多种功能,最主要的功能是稳压,此款LDO对瞬态电流响应较快,对应50mA的负载,它在5μs就可以响应过来。响应速度非常关键,如果一个LDO响应不快,一个负载来了以后,系统可能就垮掉了,于是也起不到线性稳压器的作用。

新的TPS7A02另一个优势是体积小,只有0.65mm×0.65mm的封装,比前代小了70%。这意味着可以适应各种场景去应用,尤其是可用于微型中。

TPS7A02的应用主要有四大类。

●电网基础设施。例如电表。因为一般电表里采用一次性电池,不过,需要派人定期去更换电池。有了这种静态电流LDO,基本上在电表寿命周期里无需更换电池了。

●可穿戴产品。

2.2开关稳压器TPS62840:静态电流65nA

开关DC/DC稳压器可满足始终开启的应用需求。

从实现原理分析,与前代产品相比(360nA,如下图),新的TPS62840是65nA,这是非常难达到的,需要在开关键里不断更新上关与下关,所以静态电流会比LDO高,但是比前代静态电流已经低了6倍。而且封装更小了,从以前6mm2缩小到3mm2。从DC/DC来说,效率也非常重要,该芯片能做到在1μA负载下提供80%的超高轻负载效率,已经非常难得了。如果在更高负载的情况下,例如300mA时能做到超过90%甚至95%。

再有,新的TPS62840适合的电压也是比较广的,最高能达到6.5V。因为在此设计里已经考虑到多种化学电池的使用场景,对各种电池电压都能适应,例如有些是锂电池4.2~4.5V,一次性电池有些是AA电池为1.2V,用三四节,因此四点几伏、5V、6V都有可能用到。

在楼宇自动化场景,典型的应用是IP摄像机也可能用到DC/DC,用来对影像进行处理。电流负载较大的场景会提供较高效率的DC/DC。

TI也为此款DC/DC做了参考设计,特别是对锂二氧化锰电池做了优化。TI在设计芯片时对各种电池,尤其是有目标电池进行了目标性的应用,如果客户需要的话,可以到官网上拿到参考设计。

2.3监控器TPS3840:高输入电压、高效率

监控器TPS3840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。

该芯片的主要特性是它可以在10V操作,外部加2个分压可以做到20V的耐压,是350nA的自耗电(注:所以它在大部分场景耗电是非常低的),而且精度高,能做到1%,例如监控4V的系统,1%就是4mV,是非常高精度的。

在一些特别场景中,客户有时会用多个监控芯片。因为该监控芯片可以做启动的作用,特别是开关持续启动,例如可以用这个芯片去监控电源,当电源达到一定电压时,会对LDO做复位或者Enable。

在应用上,可以对电网做监控。而且在电网里是需要很多监控芯片,如果能把每个监控芯片的静态电流都降低,省电量是非常可观的。

此外,低静态电流会对可穿戴产品有优化的效果。

2.4开关充电器BQ25619:截止电流20mA

前三节过的产品都是nA级的,使有些产品本来需要大电池,现在可用小电池或一次性电池。

但是有些设备一定要充电,因此需要高效、高精度的充电器。为此,TI推出了BQ25619,堪称业界极低截止电流的开关充电器。

不仅如此,新一代的BQ25619充电器带三合一功能。不仅充电;而且在充电过程中,还可以对电池进行过压过流的保护;第三,业界很多TWS耳机有电池对电池充电的功能,这个电池放在小盒子里,对外部的耳机做充电,因此,该芯片还带升压功能,把电池例如从3.8V升到5V,来对耳机充电,好处是本来你可能要一个充电IC+升压IC,当把它们集成在一起后,可以共用一个电感,节省了PCB(印制板)空间和成本。

BQ25619是开关电源的充电器。实际上,TI也有相对应的线性充电器产品。这些充电器适合更小的电池,例如耳机的电池,也同样适合长途运输模式,可以达到更低的400nA。因为它是线性的,而且对系统做了一些整合,带了整合的LDO与ADC做数据采样,因此对资产追踪是非常适合的,因为可以用ADC采集温度,用LDO为MCU供电。

问:LDO产品TPS7A02的静态电流为何能降低近40倍?

王世斌:主要是从工艺和电路方面改进。

问:为何能把开关稳压器TPS62840的静态电流做低?

王世斌:PMW要做得很低,或DCS的控制频率开关要做得好。

所以在电路设计方面有两个方面,基础的电路做得好是首要的;其次,个别产品有个别电路需要做得更低,需要一个个模块细化去分析哪个模块耗电较高,为每个模块做一个优化。

问:BQ25619在使用的时候,需要和此次介绍的其他芯片配套吗?

王世斌:不需要。有时候它们是配套使用的,因为它们有一个互补的关系。为什么呢?一般线性充电电池比较小;开关电源因为充电电流比较大,需要效率,所以一般是在大电池的时候用开关电源。即一般0.5~1A以下用线性充电,1A以上用开关电源充电。

还有一些特殊场景,例如业界有些快充的产品,可能用200mA的电池快充,2C充电,半小时要充完,这时可能要0.4A的充电电流,加上微型化的时候会比较烫,客户在这种场景下会选择开关电源充电,使它的效率提升。毕竟LDO充电效率物理上没那么好。

问:静态电流现在到25nA了,是不是再往下做很困难了?

王世斌:可能是非常困难的。不过,就算能做到更低,对有些场景已经没什么好处,要其他业界配合。例如今天你用这个产品做一个一次性电池,自耗电比25nA更高,我用这个产品就足够了——因为假设比25nA更低,对系统也没有什么帮助。

将来我们会发现一些新的电池,它的自耗电更低,我们就可以把这个做得更低了,就有好处了。

所以今天来说,25nA还是非常有竞争力的,在系统设计上面,如果用上这些产品的话,他们不需要再考虑静态电流对其系统的影响。

问:2022年和2023年的规划?

问:这四种产品的尺寸小,主要是封装技术的改进,还是裸片的面积减小了?

王世斌:主要是综合考虑,一般这种芯片的研发都是从封装、工艺跟电路上面去做一个综合的考虑。

制程方面,现在基本上采取12英寸的晶圆工厂。

问:你讲的这四种产品,一个系统里理想的是这四种都有,有监控、有电池保护、有升压和降压。为何不把它们集成起来?

王世斌:比如今天我把这四种产品集中,对某一个客户可能是非常好的,但对另外一个需要2个LDO的客户就不合适了。可能有些客户只是在LDO和开关电源里选择一个对系统进行供电,那可能客户就多买了器件的功能。对于TI来说,集成的也有,非集成的也有。

问:现在有很多MCU、SoC也集成了这些功能,和你们用分立器件相比,哪个更好?

王世斌:要看应用场景。有些产品,比如手表,有些集成,有些不集成。有些非集成的性能更好。另外很多客户产品是需要做产品差异化的,不能大家都用同一个模块,它可能在这个模块上再加其他单独的功能,它要突出差异化。这种时候它可能集成起来不那么方便,因为性能达不到它需要的效果。

例如,有些手表用的是友商的MCU,可能想用TI的LDO,因为该手表的卖点是低功耗;或者这种手表本身集成芯片没有心跳监控器的,手表要加心跳监控器,这个心跳监控器就要耗电了,那么它可能就需要LDO或DC/DC供电。

问:你们分类很细,有做电池保护,你是做电池管理?

王世斌:我们大的组是电池管理,我下面这个产品线是电池充电组,还有电池电量计组和电池保护组。

问:您服务了这么多领域,认为哪一领域增长最快?

王世斌:传统TI都是做消费类,现在TI是三大领域都做,汽车、工业、消费类,将来是汽车和工业都会有一个比较快的增长。我们从这三类产品来说,如果工业和消费类对低IQ产品需求都比较大的,可穿戴产品需要低IQ,很多工业类产品,一些IoT的产品很多时候都是监控待机。所以,我们从整个市场方向来说这几个市场都需要低IQ做研发规划。

THE END
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