是什么使和(IoT)的所有討論和趨勢成為了可能？測量體溫、輸送胰島素以及監測的醫療貼片必須長時間、可靠工作。此外，這些設備在供病人使用之前，一般在儲藏室及藥品柜中存放較長的時間。在使用時，醫生和用戶必須確信其設備的電池有效、狀態良好。同樣地，、耳塞式耳機和視頻游戲控制器必須能夠在兩次期間使用較長的時間(圖1)。有誰希望不停的充電或者在需要時設備卻停止工作呢？想象一下在鐵人三項運動中必須停下來進行充電的尷尬情況。此外，電表、煤氣和樓宇自動化系統等設備以及大量現場必須能夠在現場可靠工作，這些設備都傾向于在后臺連續工作，不會頻繁地進行充電和維護。從衛生保健和生物到可穿戴和環境檢測，幾乎所有的IoT設備都依賴于電池，電池必須能夠在各種條件下可靠、長時間工作。實際上，電池壽命問題已經到了緊要關頭。
圖1.智能手表和耳塞式耳機就是電池壽命至關重要的系統實例。
根據市場調研公司全球行業分析(Global Industry Analysts, Inc)的數據，“受當前新興無線網絡時代日益普及的移動需求的推動”，全球式電池供電產品市場規模到2020年將達到8654億美元1。普通兩口之家中將使用30至60塊電池2。當然，每款設備都擁有自身獨特的能耗模式。
我們接下來回顧電池壽命是如何計算的，并討論靜態為什么非常重要。
影響電池壽命的因素有哪些？
在完成制造之后，許多IoT節點設備保持在關斷模式，通常存放在貨架上，直到被賣出并打開使用。這些設備在其壽命期內的大部分時間處于待機模式，定期執行某些動作或將輸出傳輸至云端。對于可穿戴健身監測設備，用戶在訓練時穿戴的時間跨度相對較短，尤其如此。鑒于此，就有必要探索改進設備處于被動模式時的節電途徑。
系統設計師根據單元(例如)的工作、休眠和深度休眠電流計算電池壽命。相關的傳感器和無線電也與微控制器一起協同工作。當然，為系統中的所有功能電路供電，也至關重要。雖然工作耗流是延長電池壽命的重要因素，但工作時間最終受各種下所消耗的時間量的影響。如果休眠和深度休眠功能占據較多的時間，每個元件的待機電流就至關重要。這種情況下，電源的靜態電流是影響系統待機的最大因素。例如，假設某個系統由40mAh、1.55V氧化銀紐扣電池供電，其保質期為1年(圖2所示為紐扣電池)。如果吸入電流為大約4µA，將該電流降低1微安即可將的保質期延長大約三個月3。
圖2.紐扣電池為需要長工作時間的供電。
到2020年，全球將擁有價值8654億美元的便攜式電池供電產品。
電源靜態電流是影響系統待機功耗的最大因素。
靜態電流不等于關斷電流。
電源通常包括調節器，例如升壓或降壓的開關調節器，或者低壓差(LDO)調節器。有些電源也有IC (PMIC)，其中涉及到多種電源結構，甚至可能有器。
靜態電流的影響不可低估
電源處于待機模式時，功耗由靜態電流(IQ)決定，后者是指電路的靜默狀態，此時不驅動任何負載，輸入不進行切換。靜態電流雖然微不足道，但會實質上影響系統在輕載條件下的功率傳輸效率。
有時候容易混淆靜態電流與關斷電流。靜態電流時，系統處于空閑狀態，但隨時可喚醒并采取動作，這通常是用戶希望的設備狀態；另一方面，關斷電流時，是指設備處于休眠狀態。
設計師利用靜態電流評估電源在輕載時的功耗，利用關斷電流計算設備關斷且電池連接到調節器時的電池壽命。
為延長設備電池壽命，采用控制器、傳感器、無線電和高效電源進行設計。高級節點CMOS制造工藝等設計技術也有助于降低產品的總體功耗，進而有效延長電池壽命。有些設計師選擇使用升壓轉換器，當電池電壓下降到較時，可延長電池壽命。然而，如果選擇的轉換器不正確，這種方法實際上會造成靜態電流較高，電池電量消耗更快。
最終產品的規格是另一項重要注意事項。消費者，進而設計師，被迫選擇越來越小、越來越輕的產品。困難在于，設備的電池通常是設備電路板上最大、最重的組件。當然，電池的尺寸越小其容量就越小——這與較長電池壽命的需求是矛盾的。所以設計師必須綜合權衡電池容量和尺寸與有效電源管理技術之間的關系。提高系統電源效率是延長電池壽命的一種常見途徑。
嚴密關注升壓轉換器等電源調節器的靜態電流指標意義重大——該電流越低，電池壽命就越長。所以就需要既能提供較低靜態電流且尺寸規格比當前市場上可用產品更小的技術，特別是對于現在的超小尺寸設計。在這種情況下，即使低至毫安級的電流也不足以影響電池壽命。當今的可穿戴、移動及IoT設計要求低至納安級的電流。
選擇正確的升壓轉換器
升壓轉換器為轉換器，其輸出電壓高于源電壓。縱觀升壓轉換器市場，根據行業分析數據，VIN (5V)升壓電源管理電路增長最快(圖3所示為全球升壓轉換器市場的營業額預測)。根據推動這種增長的IoT應用的要求，設計師正在尋求能夠提供較低電壓軌、較長電池壽命以及較小方案尺寸的升壓轉換器。
VIN (5V)升壓轉換器全球營業額($M)
圖3.升壓轉換器全球營業額預測
超小尺寸、聯網設計得益于納安級電流
300nA靜態電流，帶真關斷模式
正確選擇能夠有效延長電池壽命的升壓轉換器，需要嚴格注意一些關鍵條件，包括：
1. 靜態電流：該電流越低，轉換器就越能延長系統待機模式下的電池壽命。
2. 真關斷模式：關斷時將電流輸出與輸入阻塞，該功能可提高效率、延長最終產品保質期。如果作為轉換器的集成功能，還能夠節省昂貴的外部元件。
3. 輸入電壓范圍：允許利用幾乎“耗盡”的電池進行工作。
4. 效率：測量VIN、VOUT和IOUT，百分比越高，越有利于延長電池壽命(uA級時的效率高于90%則比較理想)。
了解廠商在電源管理技術領域的業績也非常重要。可信賴的廠商擁有為各種規模、各個行業的客戶提供先進技術的悠久歷史，隨時間推移持續增強其專業技術和產品。有些廠商也為客戶提供在線仿真工具，根據其設計指標評估效率曲線和材料清單(BOM)成本。如果能夠使用評估系統和評估板，則能夠快速建立各種尺寸的設計原型。此外，超小尺寸對于成本及尺寸敏感的設計也至關重要。
帶真關斷功能的超低靜態電流升壓轉換器
Maxim現在提供DC-DC升壓轉換器，擁有超低靜態電流(300nA)和真關斷(True Shutdown™)技術，可理想用于要求長電池壽命的電池供電應用。MAX17222 nanoPower升壓調節器具有0.5A峰值電感電流限值(圖4)。器件采用真關斷技術，輸出與輸入斷開時，無正向或反向電流。輸出電壓可由一個1%標準電阻選擇。MAX17222擁有啟動后使能瞬態保護(ETP)，根據負載電流的不同，當輸入電壓下降到400mV以下時，允許輸出保持在范圍之內。升壓轉換器采用8 x 1.4mm2、6焊球WLP封裝和6引腳uDFN封裝，峰值效率高達95%，最大程度減少散熱。
圖4. nanoPower升壓轉換器方
總結
在尋求未來設計中延長電池壽命的途徑時，不可忽視靜態電流的影響。提前理解最終產品的用電特性非常重要——這將為您提供努力的方向。在考慮使用的元件時，應盡量使用納安級范圍內靜態電流最低的電路。低靜態電流與真關斷、低輸入電壓范圍及μA級時的高效率等指標相結合，有助于設計能夠滿足客戶每次充電提供長工作時間的智能、聯網產品。 |
