超低靜態(tài)電流成為電池管理的大方向，TI上新4類芯片

電表無需更換電池，電網(wǎng)監(jiān)控可節(jié)省可觀電量，TWS（真正無線立體聲）耳機減少充電次數(shù)，居家攝像頭、資產(chǎn)跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品自耗電越來越低……。近日，德州儀器（TI）電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品線經(jīng)理王世斌先生來京，帶來了四種超低靜態(tài)電流（IQ）芯片，并介紹了其應(yīng)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)展促進了電池小型化的需求，當(dāng)這些產(chǎn)品小型化的時候，如何讓電池做得更小甚至無需電池，就變得至關(guān)重要。對于自耗電，靜態(tài)電流只有更小，沒有最小。

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

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

可見，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電池組里分類很細，有6大類產(chǎn)品（如下圖）。第一類是降壓型DC/DC產(chǎn)品，就是開關(guān)電源產(chǎn)品，即LDO；還有升壓型的開關(guān)芯片，也包括多通道/相位或者升降壓的芯片；另外一種是比較簡單的線性電源芯片；因為做電源很多時候需要接觸到電源的開關(guān)，因此也會有電源開關(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帶來的4款新品主要是TPS7A02線性穩(wěn)壓器，另外三款是充電芯片BQ25619，降壓型穩(wěn)壓器TPS62840，還有TPS3840監(jiān)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(shù)倍。

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

2.1 線性穩(wěn)壓器TPS7A02：低靜態(tài)電流、穩(wěn)壓

2019年9月18日，TI剛剛出爐這款超小型、低壓降線性穩(wěn)壓器（LDO），亮點是靜態(tài)電流約25 nA，比前一代降低了約40倍（如下圖），這意味著待機時間延長了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(wěn)壓，此款LDO對瞬態(tài)電流響應(yīng)較快，對應(yīng)50 mA的負載，它在5 μs就可以響應(yīng)過來。響應(yīng)速度非常關(guān)鍵，如果一個LDO響應(yīng)不快，一個負載來了以后，系統(tǒng)可能就垮掉了，于是也起不到線性穩(wěn)壓器的作用。

新的TPS7A02另一個優(yōu)勢是體積小，只有0.65 mm×0.65 mm的封裝，比前代小了70%。這意味著可以適應(yīng)各種場景去應(yīng)用，尤其是可用于微型中。

TPS7A02的應(yīng)用主要有四大類。

●電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。例如電表。因為一般電表里采用一次性電池，不過，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需更換電池了。

●樓宇自動化。例如攝像頭也同樣適用。在人少的地方，攝像頭大部分時間處于休眠狀況，只有人走過時才會啟動攝像，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(yī)療。一些傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備有電池充電的產(chǎn)品。這些醫(yī)療設(shè)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，一般家庭并不會每天用到這些設(shè)備，所以很多時候設(shè)備處于待機狀態(tài)。靜態(tài)電流低便可減少充電的次數(shù)，達到更長的待機時間。

●可穿戴產(chǎn)品。

2.2 開關(guān)穩(wěn)壓器TPS62840：靜態(tài)電流65 nA

開關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器可滿足始終開啟的應(yīng)用需求。

上一節(jié)的LDO靜態(tài)電流是25 nA，而本節(jié)的開關(guān)穩(wěn)壓器TPS62840為何是65 nA？關(guān)鍵在于工作時間長短。眾所周知，開關(guān)電源的效率較高，在這種場景下，客戶需要權(quán)衡設(shè)備在靜態(tài)和動態(tài)的時候分別有多少時間？在動態(tài)多的場景，用開關(guān)DC/DC是比較好的，在靜態(tài)多的時候用LDO較好。

在動態(tài)時間比靜態(tài)時間長的場合，開關(guān)DC/DC在靜態(tài)時還是能得到65 nA的靜態(tài)電流，也是令人滿意的。

從實現(xiàn)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，需要在開關(guān)鍵里不斷更新上關(guān)與下關(guān)，所以靜態(tài)電流會比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來說，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時能做到超過90%甚至95%。

另外一個特色是在芯片里，一般開關(guān)電源都會遇到開關(guān)時噪音很大的問題，這會對ADC的數(shù)據(jù)采集造成影響。因此TI做了2個模式，一個是停止模式，即當(dāng)要采集特別敏感數(shù)據(jù)的時候，可以把開關(guān)電源稍微停下來，用外掛電容為系統(tǒng)提供短時電壓。當(dāng)然時間是非常短暫的，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(shè)計里已經(jīng)考慮到多種化學(xué)電池的使用場景，對各種電池電壓都能適應(yīng)，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(jié)，因此四點幾伏、5 V、6 V都有可能用到。

場景應(yīng)用方面，包括前述的電網(wǎng)設(shè)備。電網(wǎng)設(shè)備有時可能傳輸數(shù)據(jù)比較頻繁，工作時間較長，這時需要用到開關(guān)電源；如果在瞬時狀態(tài)較多的場景，可以選剛才上一節(jié)介紹的LDO穩(wěn)壓器。

在樓宇自動化場景，典型的應(yīng)用是IP攝像機也可能用到DC/DC，用來對影像進行處理。電流負載較大的場景會提供較高效率的DC/DC。

消費類的產(chǎn)品的待機時間也非常重要，大家都不喜歡一個耳機今天充完電，幾個星期以后拿出來電已耗盡。因此在消費類產(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(shè)計，特別是對鋰二氧化錳電池做了優(yōu)化。TI在設(shè)計芯片時對各種電池，尤其是有目標電池進行了目標性的應(yīng)用，如果客戶需要的話，可以到官網(wǎng)上拿到參考設(shè)計。

2.3 監(jiān)控器TPS3840：高輸入電壓、高效率

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

監(jiān)控器TPS3840是適用于納米級供電設(shè)計的一系列高輸入電壓、高效監(jiān)控器。

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

在一些特別場景中，客戶有時會用多個監(jiān)控芯片。因為該監(jiān)控芯片可以做啟動的作用，特別是開關(guān)持續(xù)啟動，例如可以用這個芯片去監(jiān)控電源，當(dāng)電源達到一定電壓時，會對LDO做復(fù)位或者Enable。

在應(yīng)用上，可以對電網(wǎng)做監(jiān)控。而且在電網(wǎng)里是需要很多監(jiān)控芯片，如果能把每個監(jiān)控芯片的靜態(tài)電流都降低，省電量是非常可觀的。

另外也可以應(yīng)用在樓宇自動化設(shè)備，因為它們大部分時間也都是待機狀態(tài)。

特別地是EPOS（電子銷售終端）。EPOS為什么要用復(fù)位芯片？在刷卡或刷二維碼時，EPOS會與中央系統(tǒng)進行通訊，認證終端客戶的身份。如果系統(tǒng)在中間出現(xiàn)異常，交易便會取消。因此復(fù)位芯片是非常重要的，因為它可以監(jiān)控系統(tǒng)異常，進行復(fù)位，取消相關(guān)交易，使金融交易在比較穩(wěn)定的環(huán)境里進行。

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

2.4 開關(guān)充電器BQ25619：截止電流20 mA

前三節(jié)過的產(chǎn)品都是nA級的，使有些產(chǎn)品本來需要大電池，現(xiàn)在可用小電池或一次性電池。

但是有些設(shè)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，堪稱業(yè)界極低截止電流的開關(guān)充電器。

業(yè)界的一個趨勢是電池的容量越來越大，例如以前一般手機是2 A的電池，現(xiàn)在已經(jīng)漲到3 A；自2018年以來出現(xiàn)了一個反轉(zhuǎn)，即在同樣待機時間里，把電池做得更小、更便宜。小電池又產(chǎn)生另外一個問題——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(xiàn)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，延長了小電池的充電周期。此外，據(jù)TI估算，對一個電池充到20 mA時，可增加7%的電池電量，這樣可以多出7%的使用時間。

不僅如此，新一代的BQ25619充電器帶三合一功能。不僅充電；而且在充電過程中，還可以對電池進行過壓過流的保護；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，來對耳機充電，好處是本來你可能要一個充電IC+升壓IC，當(dāng)把它們集成在一起后，可以共用一個電感，節(jié)省了PCB（印制板）空間和成本。

在小型產(chǎn)品的應(yīng)用場景里，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(tǒng)隔離開，當(dāng)拆包使用時，再把這個膠貼拿走。但是如果做到電子系統(tǒng)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，可以延長待機時間，可使設(shè)備經(jīng)歷數(shù)月的長途運輸和線下儲存，終端客戶拿到產(chǎn)品以后，只要按一個按鈕就可以啟動。

另外的應(yīng)用案例是運輸資產(chǎn)追蹤場景中，充電器會延長使用的時間。

BQ25619是開關(guān)電源的充電器。實際上，TI也有相對應(yīng)的線性充電器產(chǎn)品。這些充電器適合更小的電池，例如耳機的電池，也同樣適合長途運輸模式，可以達到更低的400 nA。因為它是線性的，而且對系統(tǒng)做了一些整合，帶了整合的LDO與ADC做數(shù)據(jù)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 熱門問答

問：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。

例如LDO，TI采用了最先進的工藝對靜態(tài)電流進行優(yōu)化。另外在電路上進行創(chuàng)新，在LDO里重點有兩方面，一是怎樣把參考電壓做得更準更低。二是一般有個回路，是放大器，這個放大器在工作條件下怎么做到非常低，同時還要確保響應(yīng)時間非?？欤蝗凰矐B(tài)電流會不好。

問:為何能把開關(guān)穩(wěn)壓器TPS62840的靜態(tài)電流做低？

王世斌：PMW要做得很低，或DCS的控制頻率開關(guān)要做得好。

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

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

王世斌：高壓的技術(shù)相對來說是不一樣的，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。

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

問：BQ25619在使用的時候，需要和此次介紹的其他芯片配套嗎？

王世斌：不需要。有時候它們是配套使用的，因為它們有一個互補的關(guān)系。為什么呢？一般線性充電電池比較??；開關(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候用開關(guān)電源。即一般0.5~1 A以下用線性充電，1 A以上用開關(guān)電源充電。

還有一些特殊場景，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，半小時要充完，這時可能要0.4 A的充電電流，加上微型化的時候會比較燙，客戶在這種場景下會選擇開關(guān)電源充電，使它的效率提升。畢竟LDO充電效率物理上沒那么好。

問：靜態(tài)電流現(xiàn)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，就算能做到更低，對有些場景已經(jīng)沒什么好處，要其他業(yè)界配合。例如今天你用這個產(chǎn)品做一個一次性電池，自耗電比25 nA更高，我用這個產(chǎn)品就足夠了——因為假設(shè)比25 nA更低，對系統(tǒng)也沒有什么幫助。

將來我們會發(fā)現(xiàn)一些新的電池，它的自耗電更低，我們就可以把這個做得更低了，就有好處了。

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

問：如何提高無線耳機的待機時間？

王世斌：無線耳機用的時間比較短，本身有幾個問題：一個是電池比較小，物理上就局限了用電時間。要優(yōu)化它有幾個方面。首先，耳機的耗電要低，這個看起來是比較困難的，因為現(xiàn)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，用一個一般的線性充電器，可能截止電流在5 mA，可能只充到90%飽，損耗了10%的用戶時間。對這種產(chǎn)品來說，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1 mA的截止電流，可是精確度是±5 mA，那它的用戶體驗是不一致的；但是如果做到±1 mA，用戶體驗就非常一致了，每次都充得足夠飽。

問：此次新的LDO產(chǎn)品從2018年到2019年就有25倍的提升，新的開關(guān)穩(wěn)壓器卻從2014年到2019年，歷時5年多。為什么后者的創(chuàng)新時間會很長？

王世斌：主要是電路方面的區(qū)別：開關(guān)電路里涉及到的模塊比較多，研發(fā)時間需要比較長；相比之下，LDO模塊比較少。另外是客戶的需求。

問：2022年和2023年的規(guī)劃？

王世斌：可能每兩三年都要做一個更新?lián)Q代，下次可能跟大家介紹的這個是更低，也可能它的響應(yīng)時間更快。我們還是要看終端客戶的反饋，再去做一個優(yōu)化。因為一個產(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，將來會帶來更多不同的、解決不同客戶問題的新的產(chǎn)品。

問：這四種產(chǎn)品的尺寸小，主要是封裝技術(shù)的改進，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綜合的考慮。

制程方面，現(xiàn)在基本上采取12英寸的晶圓工廠。

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

王世斌：比如今天我把這四種產(chǎn)品集中，對某一個客戶可能是非常好的，但對另外一個需要2個LDO的客戶就不合適了?？赡苡行┛蛻糁皇窃贚DO和開關(guān)電源里選擇一個對系統(tǒng)進行供電，那可能客戶就多買了器件的功能。對于TI來說，集成的也有，非集成的也有。    

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

王世斌：要看應(yīng)用場景。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。另外很多客戶產(chǎn)品是需要做產(chǎn)品差異化的，不能大家都用同一個模塊，它可能在這個模塊上再加其他單獨的功能，它要突出差異化。這種時候它可能集成起來不那么方便，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，因為該手表的賣點是低功耗；或者這種手表本身集成芯片沒有心跳監(jiān)控器的，手表要加心跳監(jiān)控器，這個心跳監(jiān)控器就要耗電了，那么它可能就需要LDO或DC/DC供電。

問：你們分類很細，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，我下面這個產(chǎn)品線是電池充電組，還有電池電量計組和電池保護組。

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

王世斌：傳統(tǒng)TI都是做消費類，現(xiàn)在TI是三大領(lǐng)域都做，汽車、工業(yè)、消費類，將來是汽車和工業(yè)都會有一個比較快的增長。我們從這三類產(chǎn)品來說，如果工業(yè)和消費類對低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)類產(chǎn)品，一些IoT的產(chǎn)品很多時候都是監(jiān)控待機。所以，我們從整個市場方向來說這幾個市場都需要低IQ做研發(fā)規(guī)劃。