超低靜態(tài)電流成為電池管理的大方向，TI上新4類(lèi)芯片

電表無(wú)需更換電池，電網(wǎng)監控可節省可觀(guān)電量，TWS（真正無(wú)線(xiàn)立體聲）耳機減少充電次數，居家攝像頭、資產(chǎn)跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品自耗電越來(lái)越低……。近日，德州儀器（TI）電池管理系統產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理王世斌先生來(lái)京，帶來(lái)了四種超低靜態(tài)電流（IQ）芯片，并介紹了其應用與相關(guān)技術(shù)。

1 低靜態(tài)電流的重要性

首先，IoT的發(fā)展促進(jìn)了電池小型化的需求，當這些產(chǎn)品小型化的時(shí)候，如何讓電池做得更小甚至無(wú)需電池，就變得至關(guān)重要。對于自耗電，靜態(tài)電流只有更小，沒(méi)有最小。

其次，電池的使用壽命是有限的，一個(gè)鋰電池一般是500次充放電。如果把靜態(tài)電流做得更小的話(huà)，可使待機時(shí)間增倍，從而減少充電次數，從而延長(cháng)電池的使用壽命。

再有，很多時(shí)間互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品大部分處于靜態(tài)/不工作/監控狀況下，所以功耗大都來(lái)自靜態(tài)，如果靜態(tài)電流做得更小，便可以把充電的次數降低，延長(cháng)電池的壽命。

可見(jiàn)，如果能把靜態(tài)電流做低，可以從多次性的充電電池換成較為便宜的一次性電池，或者減少充電周期。

2 TI電池充電組的創(chuàng )新

TI電池組里分類(lèi)很細，有6大類(lèi)產(chǎn)品（如下圖）。第一類(lèi)是降壓型DC/DC產(chǎn)品，就是開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，即LDO；還有升壓型的開(kāi)關(guān)芯片，也包括多通道/相位或者升降壓的芯片；另外一種是比較簡(jiǎn)單的線(xiàn)性電源芯片；因為做電源很多時(shí)候需要接觸到電源的開(kāi)關(guān)，因此也會(huì )有電源開(kāi)關(guān)、接口于照明的產(chǎn)品，如LED 燈；還有相對高壓的產(chǎn)品，例如TI于2018年發(fā)布的AC/DC GaN（氮化鎵）控制器產(chǎn)品；最后是電池管理產(chǎn)品。

此次TI帶來(lái)的4款新品主要是TPS7A02線(xiàn)性穩壓器，另外三款是充電芯片BQ25619，降壓型穩壓器TPS62840，還有TPS3840監控器。這四款產(chǎn)品都具備自耗電比較低的共通特性，與前代相比降低了數倍。

為何電池充電組有TPS和BQ系列之分？實(shí)際上大部分TPS和DC/DC電源相關(guān)，BQ與電池相關(guān)。

2.1 線(xiàn)性穩壓器TPS7A02：低靜態(tài)電流、穩壓

2019年9月18日，TI剛剛出爐這款超小型、低壓降線(xiàn)性穩壓器（LDO），亮點(diǎn)是靜態(tài)電流約25 nA，比前一代降低了約40倍（如下圖），這意味著(zhù)待機時(shí)間延長(cháng)了40倍！

低靜態(tài)電流只是此款LDO關(guān)鍵的一部分而已，一款優(yōu)秀的LDO還需要具備多種功能，最主要的功能是穩壓，此款LDO對瞬態(tài)電流響應較快，對應50 mA的負載，它在5 μs就可以響應過(guò)來(lái)。響應速度非常關(guān)鍵，如果一個(gè)LDO響應不快，一個(gè)負載來(lái)了以后，系統可能就垮掉了，于是也起不到線(xiàn)性穩壓器的作用。

新的TPS7A02另一個(gè)優(yōu)勢是體積小，只有0.65 mm×0.65 mm的封裝，比前代小了70%。這意味著(zhù)可以適應各種場(chǎng)景去應用，尤其是可用于微型中。

TPS7A02的應用主要有四大類(lèi)。

●電網(wǎng)基礎設施。例如電表。因為一般電表里采用一次性電池，不過(guò)，需要派人定期去更換電池。有了這種靜態(tài)電流LDO，基本上在電表壽命周期里無(wú)需更換電池了。

●樓宇自動(dòng)化。例如攝像頭也同樣適用。在人少的地方，攝像頭大部分時(shí)間處于休眠狀況，只有人走過(guò)時(shí)才會(huì )啟動(dòng)攝像，所以自耗電對其非常重要的，可能比工作耗電占的比例更大。

●醫療。一些傳統醫療設備有電池充電的產(chǎn)品。這些醫療設備有很精準的ADC或信號鏈產(chǎn)品，因而耗電較高，所以電池通常較大。不過(guò)，一般家庭并不會(huì )每天用到這些設備，所以很多時(shí)候設備處于待機狀態(tài)。靜態(tài)電流低便可減少充電的次數，達到更長(cháng)的待機時(shí)間。

●可穿戴產(chǎn)品。

2.2 開(kāi)關(guān)穩壓器TPS62840：靜態(tài)電流65 nA

開(kāi)關(guān)DC/DC穩壓器可滿(mǎn)足始終開(kāi)啟的應用需求。

上一節的LDO靜態(tài)電流是25 nA，而本節的開(kāi)關(guān)穩壓器TPS62840為何是65 nA？關(guān)鍵在于工作時(shí)間長(cháng)短。眾所周知，開(kāi)關(guān)電源的效率較高，在這種場(chǎng)景下，客戶(hù)需要權衡設備在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的時(shí)候分別有多少時(shí)間？在動(dòng)態(tài)多的場(chǎng)景，用開(kāi)關(guān)DC/DC是比較好的，在靜態(tài)多的時(shí)候用LDO較好。

在動(dòng)態(tài)時(shí)間比靜態(tài)時(shí)間長(cháng)的場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)DC/DC在靜態(tài)時(shí)還是能得到65 nA的靜態(tài)電流，也是令人滿(mǎn)意的。

從實(shí)現原理分析，與前代產(chǎn)品相比（360 nA，如下圖），新的TPS62840是65 nA，這是非常難達到的，需要在開(kāi)關(guān)鍵里不斷更新上關(guān)與下關(guān)，所以靜態(tài)電流會(huì )比LDO高，但是比前代靜態(tài)電流已經(jīng)低了6倍。而且封裝更小了，從以前6 mm2縮小到3 mm2。從DC/DC來(lái)說(shuō)，效率也非常重要，該芯片能做到在1 μA負載下提供80%的超高輕負載效率，已經(jīng)非常難得了。如果在更高負載的情況下，例如300 mA時(shí)能做到超過(guò)90%甚至95%。

另外一個(gè)特色是在芯片里，一般開(kāi)關(guān)電源都會(huì )遇到開(kāi)關(guān)時(shí)噪音很大的問(wèn)題，這會(huì )對ADC的數據采集造成影響。因此TI做了2個(gè)模式，一個(gè)是停止模式，即當要采集特別敏感數據的時(shí)候，可以把開(kāi)關(guān)電源稍微停下來(lái)，用外掛電容為系統提供短時(shí)電壓。當然時(shí)間是非常短暫的，因為是靠外掛的電容，但是是非常靜態(tài)的，噪音等級與LDO已非常接近。

再有，新的TPS62840適合的電壓也是比較廣的，最高能達到6.5 V。因為在此設計里已經(jīng)考慮到多種化學(xué)電池的使用場(chǎng)景，對各種電池電壓都能適應，例如有些是鋰電池4.2~4.5 V，一次性電池有些是AA電池為1.2 V，用三四節，因此四點(diǎn)幾伏、5 V、6 V都有可能用到。

場(chǎng)景應用方面，包括前述的電網(wǎng)設備。電網(wǎng)設備有時(shí)可能傳輸數據比較頻繁，工作時(shí)間較長(cháng)，這時(shí)需要用到開(kāi)關(guān)電源；如果在瞬時(shí)狀態(tài)較多的場(chǎng)景，可以選剛才上一節介紹的LDO穩壓器。

在樓宇自動(dòng)化場(chǎng)景，典型的應用是IP攝像機也可能用到DC/DC，用來(lái)對影像進(jìn)行處理。電流負載較大的場(chǎng)景會(huì )提供較高效率的DC/DC。

消費類(lèi)的產(chǎn)品的待機時(shí)間也非常重要，大家都不喜歡一個(gè)耳機今天充完電，幾個(gè)星期以后拿出來(lái)電已耗盡。因此在消費類(lèi)產(chǎn)品中，低功耗也是非常流行的。

TI也為此款DC/DC做了參考設計，特別是對鋰二氧化錳電池做了優(yōu)化。TI在設計芯片時(shí)對各種電池，尤其是有目標電池進(jìn)行了目標性的應用，如果客戶(hù)需要的話(huà)，可以到官網(wǎng)上拿到參考設計。

2.3 監控器TPS3840：高輸入電壓、高效率

通常監控器在大部分時(shí)間不工作，需要它工作的次數可能很少，因為它是復位的芯片，在系統異常的時(shí)候才會(huì )發(fā)出復位的信號。由于這類(lèi)產(chǎn)品99.99%的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，因此也需要非常低的自耗電。不過(guò)在監控過(guò)程中，里面配置的比較器或參考電壓會(huì )對過(guò)壓和低壓做保護，會(huì )對系統做復位，這也解釋了為什么這種自耗電是系統必備的。

監控器TPS3840是適用于納米級供電設計的一系列高輸入電壓、高效監控器。

該芯片的主要特性是它可以在10 V操作，外部加2個(gè)分壓可以做到20 V的耐壓，是350 nA的自耗電（注：所以它在大部分場(chǎng)景耗電是非常低的），而且精度高，能做到1%，例如監控4 V的系統，1%就是4 mV，是非常高精度的。

在一些特別場(chǎng)景中，客戶(hù)有時(shí)會(huì )用多個(gè)監控芯片。因為該監控芯片可以做啟動(dòng)的作用，特別是開(kāi)關(guān)持續啟動(dòng)，例如可以用這個(gè)芯片去監控電源，當電源達到一定電壓時(shí)，會(huì )對LDO做復位或者Enable。

在應用上，可以對電網(wǎng)做監控。而且在電網(wǎng)里是需要很多監控芯片，如果能把每個(gè)監控芯片的靜態(tài)電流都降低，省電量是非?？捎^(guān)的。

另外也可以應用在樓宇自動(dòng)化設備，因為它們大部分時(shí)間也都是待機狀態(tài)。

特別地是EPOS（電子銷(xiāo)售終端）。EPOS為什么要用復位芯片？在刷卡或刷二維碼時(shí)，EPOS會(huì )與中央系統進(jìn)行通訊，認證終端客戶(hù)的身份。如果系統在中間出現異常，交易便會(huì )取消。因此復位芯片是非常重要的，因為它可以監控系統異常，進(jìn)行復位，取消相關(guān)交易，使金融交易在比較穩定的環(huán)境里進(jìn)行。

此外，低靜態(tài)電流會(huì )對可穿戴產(chǎn)品有優(yōu)化的效果。

2.4 開(kāi)關(guān)充電器BQ25619：截止電流20 mA

前三節過(guò)的產(chǎn)品都是nA級的，使有些產(chǎn)品本來(lái)需要大電池，現在可用小電池或一次性電池。

但是有些設備一定要充電，因此需要高效、高精度的充電器。為此，TI推出了BQ25619，堪稱(chēng)業(yè)界極低截止電流的開(kāi)關(guān)充電器。

業(yè)界的一個(gè)趨勢是電池的容量越來(lái)越大，例如以前一般手機是2 A的電池，現在已經(jīng)漲到3 A；自2018年以來(lái)出現了一個(gè)反轉，即在同樣待機時(shí)間里，把電池做得更小、更便宜。小電池又產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題——截止電流，例如以前1 A電池的截止電流是10%，即做100 mA就夠了；現在如果把電池做得很小，做到200 mA，截止電流也要非常小，否則如果還是100 mA，電池就充不飽了。

 為此，TI祭出了低截止電流產(chǎn)品BQ25619，截止電流只有20 mA。這時(shí)再充一塊200 mA的電池，充到10%的截止電流即20 mA，這樣電池還是充到一樣的飽，延長(cháng)了小電池的充電周期。此外，據TI估算，對一個(gè)電池充到20 mA時(shí)，可增加7%的電池電量，這樣可以多出7%的使用時(shí)間。

不僅如此，新一代的BQ25619充電器帶三合一功能。不僅充電；而且在充電過(guò)程中，還可以對電池進(jìn)行過(guò)壓過(guò)流的保護；第三，業(yè)界很多TWS耳機有電池對電池充電的功能，這個(gè)電池放在小盒子里，對外部的耳機做充電，因此，該芯片還帶升壓功能，把電池例如從3.8 V升到5 V，來(lái)對耳機充電，好處是本來(lái)你可能要一個(gè)充電IC+升壓IC，當把它們集成在一起后，可以共用一個(gè)電感，節省了PCB（印制板）空間和成本。

在小型產(chǎn)品的應用場(chǎng)景里，由于電池極小，因此自耗電至關(guān)重要。以前的電子產(chǎn)品上常有膠貼，把電池與系統隔離開(kāi)，當拆包使用時(shí)，再把這個(gè)膠貼拿走。但是如果做到電子系統的自耗電低，就可以做成電子膠貼。TI新的BQ25619已經(jīng)做到6 mA級，可以延長(cháng)待機時(shí)間，可使設備經(jīng)歷數月的長(cháng)途運輸和線(xiàn)下儲存，終端客戶(hù)拿到產(chǎn)品以后，只要按一個(gè)按鈕就可以啟動(dòng)。

另外的應用案例是運輸資產(chǎn)追蹤場(chǎng)景中，充電器會(huì )延長(cháng)使用的時(shí)間。

BQ25619是開(kāi)關(guān)電源的充電器。實(shí)際上，TI也有相對應的線(xiàn)性充電器產(chǎn)品。這些充電器適合更小的電池，例如耳機的電池，也同樣適合長(cháng)途運輸模式，可以達到更低的400 nA。因為它是線(xiàn)性的，而且對系統做了一些整合，帶了整合的LDO與ADC做數據采樣，因此對資產(chǎn)追蹤是非常適合的，因為可以用ADC采集溫度，用LDO為MCU供電。

3 熱門(mén)問(wèn)答

問(wèn)：LDO產(chǎn)品TPS7A02的靜態(tài)電流為何能降低近40倍？

王世斌：主要是從工藝和電路方面改進(jìn)。

例如LDO，TI采用了最先進(jìn)的工藝對靜態(tài)電流進(jìn)行優(yōu)化。另外在電路上進(jìn)行創(chuàng )新，在LDO里重點(diǎn)有兩方面，一是怎樣把參考電壓做得更準更低。二是一般有個(gè)回路，是放大器，這個(gè)放大器在工作條件下怎么做到非常低，同時(shí)還要確保響應時(shí)間非?？?，不然瞬態(tài)電流會(huì )不好。

問(wèn):為何能把開(kāi)關(guān)穩壓器TPS62840的靜態(tài)電流做低？

王世斌：PMW要做得很低，或DCS的控制頻率開(kāi)關(guān)要做得好。

所以在電路設計方面有兩個(gè)方面，基礎的電路做得好是首要的；其次，個(gè)別產(chǎn)品有個(gè)別電路需要做得更低，需要一個(gè)個(gè)模塊細化去分析哪個(gè)模塊耗電較高，為每個(gè)模塊做一個(gè)優(yōu)化。

問(wèn)：電池管理組有六大產(chǎn)品線(xiàn)，另外兩個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)也需要低靜態(tài)電流嗎？

王世斌：高壓的技術(shù)相對來(lái)說(shuō)是不一樣的，高壓也是需要AC/DC，因為它在墻上，它可能關(guān)注的不是靜態(tài)電流，是高效率的輕載模式、待機。

另外電源開(kāi)關(guān)也有些相關(guān)的低靜態(tài)電流產(chǎn)品，只是今天沒(méi)有新品介紹，畢竟開(kāi)關(guān)也是很基礎的器件。

問(wèn)：BQ25619在使用的時(shí)候，需要和此次介紹的其他芯片配套嗎？

王世斌：不需要。有時(shí)候它們是配套使用的，因為它們有一個(gè)互補的關(guān)系。為什么呢？一般線(xiàn)性充電電池比較??；開(kāi)關(guān)電源因為充電電流比較大，需要效率，所以一般是在大電池的時(shí)候用開(kāi)關(guān)電源。即一般0.5~1 A以下用線(xiàn)性充電，1 A以上用開(kāi)關(guān)電源充電。

還有一些特殊場(chǎng)景，例如業(yè)界有些快充的產(chǎn)品，可能用200 mA的電池快充，2C充電，半小時(shí)要充完，這時(shí)可能要0.4 A的充電電流，加上微型化的時(shí)候會(huì )比較燙，客戶(hù)在這種場(chǎng)景下會(huì )選擇開(kāi)關(guān)電源充電，使它的效率提升。畢竟LDO充電效率物理上沒(méi)那么好。

問(wèn)：靜態(tài)電流現在到25 nA了，是不是再往下做很困難了？

王世斌：可能是非常困難的。不過(guò)，就算能做到更低，對有些場(chǎng)景已經(jīng)沒(méi)什么好處，要其他業(yè)界配合。例如今天你用這個(gè)產(chǎn)品做一個(gè)一次性電池，自耗電比25 nA更高，我用這個(gè)產(chǎn)品就足夠了——因為假設比25 nA更低，對系統也沒(méi)有什么幫助。

將來(lái)我們會(huì )發(fā)現一些新的電池，它的自耗電更低，我們就可以把這個(gè)做得更低了，就有好處了。

所以今天來(lái)說(shuō)，25 nA還是非常有競爭力的，在系統設計上面，如果用上這些產(chǎn)品的話(huà)，他們不需要再考慮靜態(tài)電流對其系統的影響。

問(wèn)：如何提高無(wú)線(xiàn)耳機的待機時(shí)間？

王世斌：無(wú)線(xiàn)耳機用的時(shí)間比較短，本身有幾個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是電池比較小，物理上就局限了用電時(shí)間。要優(yōu)化它有幾個(gè)方面。首先，耳機的耗電要低，這個(gè)看起來(lái)是比較困難的，因為現在耳機剛起步，功能上都在優(yōu)化，所以耗電較大。另外要把小的電池充得飽，一般耳機電池是30~50 μA，我們要把這個(gè)電池充得飽，就要把截止電流做得低才能充得飽，剛才介紹的線(xiàn)性充電器的截止電流可以做到1 mA，你用30 mA的電池充到截止電流1 mA，就可以充得飽飽的，如果用30 mA，用一個(gè)一般的線(xiàn)性充電器，可能截止電流在5 mA，可能只充到90%飽，損耗了10%的用戶(hù)時(shí)間。對這種產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，截止電流非常重要。再有，截止電流精確度是非常重要的，我跟你說(shuō)1 mA的截止電流，可是精確度是±5 mA，那它的用戶(hù)體驗是不一致的；但是如果做到±1 mA，用戶(hù)體驗就非常一致了，每次都充得足夠飽。

問(wèn)：此次新的LDO產(chǎn)品從2018年到2019年就有25倍的提升，新的開(kāi)關(guān)穩壓器卻從2014年到2019年，歷時(shí)5年多。為什么后者的創(chuàng )新時(shí)間會(huì )很長(cháng)？

王世斌：主要是電路方面的區別：開(kāi)關(guān)電路里涉及到的模塊比較多，研發(fā)時(shí)間需要比較長(cháng)；相比之下，LDO模塊比較少。另外是客戶(hù)的需求。

問(wèn)：2022年和2023年的規劃？

王世斌：可能每?jì)扇甓家鲆粋€(gè)更新?lián)Q代，下次可能跟大家介紹的這個(gè)是更低，也可能它的響應時(shí)間更快。我們還是要看終端客戶(hù)的反饋，再去做一個(gè)優(yōu)化。因為一個(gè)產(chǎn)品也不能只單看靜態(tài)電流，例如EMI的噪音或者是效率等。像2018年，TI曾向中國的媒體發(fā)布了高效率的產(chǎn)品，此次介紹低功耗的產(chǎn)品，將來(lái)會(huì )帶來(lái)更多不同的、解決不同客戶(hù)問(wèn)題的新的產(chǎn)品。

問(wèn)：這四種產(chǎn)品的尺寸小，主要是封裝技術(shù)的改進(jìn)，還是裸片的面積減小了？

王世斌：主要是綜合考慮，一般這種芯片的研發(fā)都是從封裝、工藝跟電路上面去做一個(gè)綜合的考慮。

制程方面，現在基本上采取12英寸的晶圓工廠(chǎng)。

       問(wèn)：你講的這四種產(chǎn)品，一個(gè)系統里理想的是這四種都有，有監控、有電池保護、有升壓和降壓。為何不把它們集成起來(lái)？

王世斌：比如今天我把這四種產(chǎn)品集中，對某一個(gè)客戶(hù)可能是非常好的，但對另外一個(gè)需要2個(gè)LDO的客戶(hù)就不合適了?？赡苡行┛蛻?hù)只是在LDO和開(kāi)關(guān)電源里選擇一個(gè)對系統進(jìn)行供電，那可能客戶(hù)就多買(mǎi)了器件的功能。對于TI來(lái)說(shuō)，集成的也有，非集成的也有。    

問(wèn)：現在有很多MCU、SoC也集成了這些功能，和你們用分立器件相比，哪個(gè)更好？

王世斌：要看應用場(chǎng)景。有些產(chǎn)品，比如手表，有些集成，有些不集成。有些非集成的性能更好。另外很多客戶(hù)產(chǎn)品是需要做產(chǎn)品差異化的，不能大家都用同一個(gè)模塊，它可能在這個(gè)模塊上再加其他單獨的功能，它要突出差異化。這種時(shí)候它可能集成起來(lái)不那么方便，因為性能達不到它需要的效果。

例如，有些手表用的是友商的MCU，可能想用TI的LDO，因為該手表的賣(mài)點(diǎn)是低功耗；或者這種手表本身集成芯片沒(méi)有心跳監控器的，手表要加心跳監控器，這個(gè)心跳監控器就要耗電了，那么它可能就需要LDO或DC/DC供電。

問(wèn)：你們分類(lèi)很細，有做電池保護，你是做電池管理？

王世斌：我們大的組是電池管理，我下面這個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)是電池充電組，還有電池電量計組和電池保護組。

問(wèn)：您服務(wù)了這么多領(lǐng)域，認為哪一領(lǐng)域增長(cháng)最快？

王世斌：傳統TI都是做消費類(lèi)，現在TI是三大領(lǐng)域都做，汽車(chē)、工業(yè)、消費類(lèi)，將來(lái)是汽車(chē)和工業(yè)都會(huì )有一個(gè)比較快的增長(cháng)。我們從這三類(lèi)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如果工業(yè)和消費類(lèi)對低IQ產(chǎn)品需求都比較大的，可穿戴產(chǎn)品需要低IQ，很多工業(yè)類(lèi)產(chǎn)品，一些IoT的產(chǎn)品很多時(shí)候都是監控待機。所以，我們從整個(gè)市場(chǎng)方向來(lái)說(shuō)這幾個(gè)市場(chǎng)都需要低IQ做研發(fā)規劃。