低功率設計 —— 多低才算足夠低?

背景信息

便攜式電源應用多種多樣，應用領(lǐng)域十分廣泛。產(chǎn)品從平均功耗在微瓦量級的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) (WSN) 到采用數百瓦-時(shí)電池組的推車(chē)式醫療或數據采集系統應有盡有。不過(guò)，盡管應用多種多樣，仍然能夠總結出幾種趨勢：設計師繼續要求產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來(lái)越多的功能;用任何可用電源給電池充電。第一種趨勢要求增大電池容量。不幸的是，用戶(hù)常常不夠耐心，不能容忍充電時(shí)間太長(cháng)，所以容量增大的同時(shí)，充電時(shí)間必須仍然保持合理，這就導致充電電流增大。第二種趨勢要求電池充電解決方案具有極大的靈活性。本文將詳盡地探討這些問(wèn)題。

看一下新式手持式設備，面向消費者的設備和工業(yè)設備都有可能包含蜂窩手機調制解調器、Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、大型背光照明顯示器等等。很多手持式設備的電源架構與蜂窩手機類(lèi)似。一般情況下，3.7V 鋰離子電池用作主電源，因為這類(lèi)電池的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/m3) 能量密度很大。過(guò)去，很多高功率設備采用 7.4V 鋰離子電池以降低電流要求，但是隨著(zhù)低價(jià) 5V 電源管理 IC 的上市，越來(lái)越多的手持式設備采用了更低電壓架構。平板電腦很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)。一個(gè)典型的平板電腦具有很多功能，同時(shí)采用非常大 (就便攜式設備而言) 的顯示屏。用 3.7V 電池供電時(shí)，容量必須達到數千毫安-時(shí)，例如 2200mAh。為了在數小時(shí)內完成這種電池的充電，需要數千毫安充電電流。

然而，充電電流這么大的同時(shí)，如果大電流交流適配器不可用，消費者還可能要求用 USB 端口給大功率設備充電。為了滿(mǎn)足這些要求，在交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能夠以大電流 (>2A) 充電，但是仍然能夠高效地利用 USB 提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品需要保護敏感的下游低壓組件，使其避免過(guò)壓事件導致的損壞，并將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池無(wú)縫地引導到負載，同時(shí)最大限度地降低功耗。這就為電池 IC 制造商帶來(lái)了極好的機會(huì )，他們可以開(kāi)發(fā)安全管理電池充電算法、監視關(guān)鍵系統參數的 IC。

在電源應用領(lǐng)域的另一端，是能量收集系統的毫微功率轉換要求，例如 WSN 中常見(jiàn)的能量收集系統，這類(lèi)系統必須使用電源轉換 IC，以處理非常低的功率和電流，可能分別為數十微瓦和數十納安。

能量收集 WSN

我們周?chē)写罅凯h(huán)境能源，傳統的能量收集方法一直采用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過(guò)，新的收集工具允許我們用種類(lèi)繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而較重要的是用來(lái)供電之“平均收集得到的”能量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉換成電力，壓電組件轉換機械振動(dòng)，光伏組件轉換太陽(yáng)光 (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件將潮氣轉換成電能。這樣就有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器或薄膜電池等儲能器件充電，以便微處理器或發(fā)送器能夠無(wú)需本地電源而接受遠程供電。

一般而言，能進(jìn)入并用于非傳統能源市場(chǎng)的 IC 所必需的性能和特性包括以下各項：

§ 低備用靜態(tài)電流，典型值低于 6μA，可低至 450nA

§ 低啟動(dòng)電壓，低至 20mV

§ 接受高輸入電壓的能力，高達 34V 連續電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

§ 能夠處理 AC 輸入

§ 多輸出能力和自主系統電源管理

§ 自動(dòng)極性運行

§ 針對太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)

§ 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

§ 需要最少的外部組件，解決方案占板面積緊湊

WSN 基本上是一種自含式系統，由一些換能器組成，將環(huán)境能源轉換成電信號，其后跟著(zhù)的通常是 DC/DC 轉換器和管理器，以通過(guò)合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器。

背景信息

便攜式電源應用多種多樣，應用領(lǐng)域十分廣泛。產(chǎn)品從平均功耗在微瓦量級的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) (WSN) 到采用數百瓦-時(shí)電池組的推車(chē)式醫療或數據采集系統應有盡有。不過(guò)，盡管應用多種多樣，仍然能夠總結出幾種趨勢：設計師繼續要求產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來(lái)越多的功能;用任何可用電源給電池充電。第一種趨勢要求增大電池容量。不幸的是，用戶(hù)常常不夠耐心，不能容忍充電時(shí)間太長(cháng)，所以容量增大的同時(shí)，充電時(shí)間必須仍然保持合理，這就導致充電電流增大。第二種趨勢要求電池充電解決方案具有極大的靈活性。本文將詳盡地探討這些問(wèn)題。

看一下新式手持式設備，面向消費者的設備和工業(yè)設備都有可能包含蜂窩手機調制解調器、Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、大型背光照明顯示器等等。很多手持式設備的電源架構與蜂窩手機類(lèi)似。一般情況下，3.7V 鋰離子電池用作主電源，因為這類(lèi)電池的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/m3) 能量密度很大。過(guò)去，很多高功率設備采用 7.4V 鋰離子電池以降低電流要求，但是隨著(zhù)低價(jià) 5V 電源管理 IC 的上市，越來(lái)越多的手持式設備采用了更低電壓架構。平板電腦很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)。一個(gè)典型的平板電腦具有很多功能，同時(shí)采用非常大 (就便攜式設備而言) 的顯示屏。用 3.7V 電池供電時(shí)，容量必須達到數千毫安-時(shí)，例如 2200mAh。為了在數小時(shí)內完成這種電池的充電，需要數千毫安充電電流。

然而，充電電流這么大的同時(shí)，如果大電流交流適配器不可用，消費者還可能要求用 USB 端口給大功率設備充電。為了滿(mǎn)足這些要求，在交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能夠以大電流 (>2A) 充電，但是仍然能夠高效地利用 USB 提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品需要保護敏感的下游低壓組件，使其避免過(guò)壓事件導致的損壞，并將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池無(wú)縫地引導到負載，同時(shí)最大限度地降低功耗。這就為電池 IC 制造商帶來(lái)了極好的機會(huì )，他們可以開(kāi)發(fā)安全管理電池充電算法、監視關(guān)鍵系統參數的 IC。

在電源應用領(lǐng)域的另一端，是能量收集系統的毫微功率轉換要求，例如 WSN 中常見(jiàn)的能量收集系統，這類(lèi)系統必須使用電源轉換 IC，以處理非常低的功率和電流，可能分別為數十微瓦和數十納安。

能量收集 WSN

我們周?chē)写罅凯h(huán)境能源，傳統的能量收集方法一直采用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過(guò)，新的收集工具允許我們用種類(lèi)繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而較重要的是用來(lái)供電之“平均收集得到的”能量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉換成電力，壓電組件轉換機械振動(dòng)，光伏組件轉換太陽(yáng)光 (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件將潮氣轉換成電能。這樣就有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器或薄膜電池等儲能器件充電，以便微處理器或發(fā)送器能夠無(wú)需本地電源而接受遠程供電。

一般而言，能進(jìn)入并用于非傳統能源市場(chǎng)的 IC 所必需的性能和特性包括以下各項：

§ 低備用靜態(tài)電流，典型值低于 6μA，可低至 450nA

§ 低啟動(dòng)電壓，低至 20mV

§ 接受高輸入電壓的能力，高達 34V 連續電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

§ 能夠處理 AC 輸入

§ 多輸出能力和自主系統電源管理

§ 自動(dòng)極性運行

§ 針對太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)

§ 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

§ 需要最少的外部組件，解決方案占板面積緊湊

WSN 基本上是一種自含式系統，由一些換能器組成，將環(huán)境能源轉換成電信號，其后跟著(zhù)的通常是 DC/DC 轉換器和管理器，以通過(guò)合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器。

一款毫微功率 IC 解決方案

顯然，WSN 可獲得的能量很低。這又意味著(zhù)，該系統中所用組件必須能夠應對這種低功率情況。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但是在電源轉換方面仍然存在空白。不過(guò)，凌力爾特推出了 LTC3388-1 / LTC3388-3，以專(zhuān)門(mén)應對這種需求。

LTC3388-1 / LTC3388-3 是一款 20V 輸入、同步降壓型轉換器，可提供高達 50mA 的連續輸出電流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝，參見(jiàn)圖 1 所示原理圖。該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內工作，適用于多種能量收集和電池供電應用，包括 “保持有效” 的電源和工業(yè)控制電源。

圖 1：LTC3388-1 / LTC3388-3 典型應用原理圖

LTC3388-1 / LTC3388-3 運用遲滯同步整流方法，以在很寬的負載電流范圍內優(yōu)化效率。該器件在 15uA 至50mA 負載范圍內可提供超過(guò) 90% 的效率，且僅需要 400nA 靜態(tài)電流，從而使其能夠延長(cháng)電池壽命。該器件采用 3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10 封裝)，僅需要 5 個(gè)外部組件，可為種類(lèi)繁多的低功率應用組成非常簡(jiǎn)單和占板面積很緊湊的解決方案。

LTC3388-1 / LTC3388-3 提供準確的欠壓閉鎖 (ULVO) 功能，以在輸入電壓降至低于 2.3V 時(shí)禁止轉換器，從而將靜態(tài)電流降至僅為 400nA。一旦進(jìn)入穩定狀態(tài) (無(wú)負載時(shí))，LTC3388-1 / LTC3388-3 就進(jìn)入休眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流，使其達到僅為 720nA。然后，該降壓型轉換器按需接通和斷開(kāi)，以保持輸出穩定。當輸出在持續時(shí)間很短的負載 (例如無(wú)線(xiàn)調