解密低靜態(tài)電流（low Iq）：如何使用WEBENCH為超低功耗應用設計近100%的占空比

許多電池供電的應用需要降壓轉換器才能在100%占空比條件下工作，其中V_IN接近V_OUT，以便在電池電壓達到最低值時(shí)延長(cháng)電池續航時(shí)間。

例如，假設有兩節鋰-二氧化錳（Li-MnO₂）電池為智能電表供電。Li-MnO₂電池是一次性非充電電池，由于使用壽命較長(cháng)（長(cháng)達20年），再加上比鋰亞硫酰氯電池更具成本效益，其在智能電表或水表中的應用日益廣泛。

圖1所示為兩個(gè)串聯(lián)（2s1p）的Li-MnO₂電池的系統配置，然后逐步降壓為微控制器供電。

圖1：智能電表電源架構

超低靜態(tài)電流（I_Q）DC/DC轉換器可幫助您設計電池壽命長(cháng)達20年的應用。智能電表應用的負載曲線(xiàn)并非連續負載，而是可變負載曲線(xiàn)。為了延長(cháng)電池壽命，系統僅會(huì )偶爾消耗高電流（發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號或啟動(dòng)閥門(mén)），然后再回到極低負載狀態(tài)。此類(lèi)負載曲線(xiàn)能夠在微安培范圍內實(shí)現低平均電流消耗。在這種輕負載下的高效率需要超低靜態(tài)電流I_Q，尤其是在關(guān)斷時(shí)間內。關(guān)斷時(shí)間內的電流消耗可能遠低于平均電流消耗。

德州儀器的 TPS62840 超低功耗降壓轉換器的工作I_Q僅為60 nA，可以調節3.3-V電源軌。TPS62840在100%模式下具有極低的靜態(tài)電流I_Q - 150 nA，進(jìn)一步延長(cháng)了電池續航時(shí)間。

為了更好地幫您設計和模擬超低電源電路，WEBENCH Power Designer 這款在線(xiàn)工具可根據您的規格創(chuàng )建定制電源設計。

在我們的示例中，每節電池的平均電壓約為3.0 V。新電池的初始電壓約為3.2 V，完全放電后電壓可降至2 V以下。假設每節電池放電降至1.8 V且新電池的電壓為3.2 V時(shí)，請將這些參數輸入WEBENCH Power Designer（圖2）。

圖2：在WEBENCH Power Designer中輸入的設計規范

在WEBENCH^?PowerDesigner搜索工具中使用3.6 V最小輸入電壓可產(chǎn)生51種可能的器件，但TPS62840并非其中一種。  這是為什么？

WEBENCH專(zhuān)注于兩個(gè)初始參數，以幫您找到適合您系統的最佳器件：

1.    V_INMIN > V_OUT是WEBENCH Power Designer在降壓轉換器拓撲結構的用戶(hù)輸入中尋找的首檢參數。如果V_INMIN > V_OUT，那么WEBENCH Power Designer會(huì )選擇降壓轉換器作為解決方案列表的一部分。如果V_INMIN ≤ V_OUT，WEBENCH Power Designer會(huì )建議使用降壓 - 升壓轉換器調節您的V_OUT，而非使用100％占空比模式下工作的降壓轉換器。這是因為WEBENCH希望為您提供一個(gè)解決方案，即使V_INMIN ≤ V_OUT，您的V_OUT也會(huì )受到調節。

2.    通過(guò)首檢后，復檢將驗證計算的占空比是否大于降壓轉換器數據表中規定的最大占空比。對于可在100%占空比模式下工作的降壓轉換器，99.9%用作閾值。計算占空比時(shí)包括損耗。這增加了WEBENCH Power Designer中計算的占空比，遠遠高于理想的V_OUT/V_IN。

選擇眾多器件后，WEBENCH Power Designer會(huì )為每個(gè)器件執行詳細設計。

根據使用的輸入參數，可以觀(guān)察到以下三種不同結果：

·         TPS62840 WEBENCH Power Designer型號的V_IN為3.2 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V（圖3）。

圖3：輸入電壓過(guò)低時(shí)的故障消息

由于最小V_IN低于V_OUT，設計更新失敗。此設計未通過(guò)WEBENCH的首檢。

·         TPS62840 WEBENCH Power Designer型號的V_IN為3.6 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V（圖4）。

圖4：占空比過(guò)高時(shí)的故障消息

該設計不會(huì )更新，因為計算時(shí)的占空比包括高側MOSFET RDSON和電感器DCR等損耗。此處，占空比值大于99.9%。此設計未通過(guò)WEBENCH的復檢。

·         在V_IN為3.7 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V的TPS62840 WEBENCH Power Designer上選擇設計界面（圖5）。

圖 5：WEBENCH Power Designer中顯示的TPS62840

最后一個(gè)示例顯示了TPS62840，因為此設計通過(guò)了兩次檢查。

如何在接近100%占空比時(shí)更有效地使用WEBENCH Power Designer：

·        輸入電壓和輸出電壓之間增加一個(gè)充足的delta，以減少占空比。

·        降低輸出電流，以減少損耗并減少占空比。

這兩種解決方案都能使WEBENCH Power Designer使用TPS62840進(jìn)行設計。在實(shí)際應用中，在100%下模式工作是正常的并且通常是可接受的，以便使電池完全放電。在100%模式下，降壓轉換器的輸出電壓隨著(zhù)電池電壓的降低而降低。但這仍然適合大多數負載的系統規格。

其他資源

·    閱讀我們的技術(shù)文章，了解所有電源軌是否需要低靜態(tài)電流Iq。

·    考慮智能電表的TI設計。