本文重點介紹了在不同電源應用中實現納安級 IQ（靜態電流）的各種設計機制及其挑戰。
內容概覽
1.納安級 IQ 在不同電源應用中的重要性
隨著每一代設備的推出，延長電池壽命的需求日益增長，因此對降低 IQ 的要求也在不斷提升。
2.在工業 BMS 監控器中實現納安級 IQ
通過切換到僅在需要時啟用器件基本功能的功耗模式，并利用電路層面的創新來降低 IQ。
3.在電壓監控器中實現納安級 IQ
為了延長電池壽命、實現常開式監控，需要毫微級IQ，同時需要低延遲才能實現快速故障報告。
當芯片處于待機模式時，其功耗由其低靜態電流 （IQ） 定義，這里靜態即指電路在未驅動任何負載時的安靜狀態。在電池管理系統 （BMS） 監控器、BMS 充電器、電壓監控器和直流/直流轉換器等電池供電型汽車和工業元件中，低IQ 延長了待機運行時間。但這些器件確實需要在待機模式下消耗一定的 IQ，以便維持高優先級功能和基本的功能安全特性，同時實現系統快速喚醒至運行模式。
納安級 IQ 在不同電源應用中的重要性
隨著每一代設備的推出，延長電池壽命的需求日益增長，因此對降低 IQ 的要求也在不斷提升。這些設備可以配置為在正常模式、睡眠/待機模式或關斷模式下工作。正常模式只占電源應用任務剖面的一小部分 [1]；這類產品大部分時間都處于待機模式。在正常模式下，由于存在突發的高速通信，從電源汲取的電流可能為幾毫安，而在進入睡眠或待機模式時，電流可能為幾納安。納安級工作模式可以節省電量，從而延長電池壽命。
本文討論了在工業和汽車 BMS 電池電壓監控器、充電器、直流/直流轉換器和電壓監控器等不同電源應用中實現納安級 IQ 的設計機制及其對應的挑戰。一方面，實現更長電池壽命需要納安級 IQ；另一方面，集成電路 （IC） 需要消耗一定的 IQ 來支持系統喚醒等功能。
在工業 BMS 監控器中實現納安級 IQ
電動工具和電動自行車等許多電池供電產品都需要在不同的電源狀態下平衡功能和 IQ。例如，處于運行狀態（觸發器觸發時）的電動工具可能會消耗數安培的電流，這使得電動工具中所用電池監控器的 IQ 相對于系統的其余部分來說可以忽略不計。但是，同一電池供電的電動工具可能會在桌上靜置數小時或置于睡眠模式數天時間，同時啟用基本的保護功能。電動工具還應能夠快速響應觸發器觸發。在這種低功耗狀態下，BMS 監控器的 IQ 就變得尤為重要。
通過確保在睡眠模式下仍具備有效保護、已啟用的穩壓器（以保留系統微控制器 [MCU] 中存儲器的內容），以及通過模數轉換器進行的占空比電壓、電流和溫度測量，該系統仍能受到全面保護并準備好快速進行響應，同時相對于工作模式將功耗降低至十分之一或更低。TI 工業監控器具有多種睡眠模式選項，允許您選擇是否使保護功能保持活動狀態（使放電路徑保持啟用狀態），是否將低壓降穩壓器保持啟用（以允許系統 MCU 保留存儲器內容并在幾微秒而不是幾毫秒內恢復），以及多種占空比電壓、電流和溫度測量選項，從而實現可進行定制來優化功耗和性能的安全、可操作睡眠模式。
在汽車 BMS 監控器中實現納安級 IQ
電池控制單元 （BCU） 通常集成了 BMS 的主 MCU，并由12V 電池供電。MCU 無法直接以 12V 供電，因此電路板上會有直流/直流轉換器或電源管理集成電路，用于產生MCU 的電源。BCU 上還具有 BMS 橋接器件，其作用是將 MCU 的串行外設接口/通用異步接收器/發送器通信協議轉化為電池監控器的隔離式菊花鏈。
12V 電池會在車輛行駛期間充電，因此 12V 電壓軌的電流消耗不太重要。當車輛停車且未進行充電時，高壓接觸器會斷開，因此 >400V 電池會與系統斷開連接，并且無法為12V 電池充電。盡管如此，12V 電池仍需為 BCU 和其他常開功能（例如遙控鑰匙鎖門或開鎖）供電，而且供電時長尚不確定。低功耗對于這類常開設備非常重要。通常，對于所有常開功能，原始設備制造商 （OEM） 希望從12V 電池汲取的平均電流不超過 100μA。完全關閉 BCU可以將 BMS 功耗降至最低，但會導致系統在電池受損和出現危險情況時無法做出反應。相反，OEM 將 MCU 置于極低功耗狀態，并依賴于橋接器件的反向喚醒功能。如圖1 所示，該功能使得電池監控器能夠在發生嚴重故障時向橋接器件發出警報，隨后橋接器件喚醒 MCU，以便后者能夠對故障做出響應。
圖 1. 反向喚醒
橋接器件功耗越低，汽車在駐車狀態下能夠對其電池進行安全監控而不耗盡 12V 電池電量的時間就越長。TI BQ79600 在睡眠模式下的電流消耗<7μA，這降低了 12V電池的完全放電風險。
在工業家庭自動化充電器中實現納安級 IQ
通過使用互聯網連接設備來對電器和系統進行遠程監控和管理，我們的家居變得越來越智能。可視門鈴是一種不可或缺的智能家居配件，它提供高清圖像和雙向音頻通信功能，讓房主可以通過智能手機與來訪者互動。大多數可視門鈴都通過硬接線連接到 12V 至 16V 電源，但當現有布線或變壓器陳舊或不兼容時，許多消費者都需要太陽能或電池供電的可視門鈴。為了支持無線連接和門鈴按鈕按壓操作，電池通常非常小。TI 的 BQ25622 和 BQ25638 降壓充電器在僅電池模式下的 IQ 為 1.5μA，在關斷模式下則為100nA，通過電源路徑設計，可以在整個產品生命周期內盡可能地延長電池運行時間。
這些充電器僅在需要時啟用器件的基本功能，從而降低了IQ，并且能夠通過 TS 引腳監測電池溫度，從而確保安全操作。如圖 2 所示，芯片內部的開關將連接到 TS_BIAS 引腳的外部熱敏電阻網絡與 5V REGN 引腳隔離開來。通過啟用占空比為 1% 的內部開關，該架構有助于消除影響充電器 I Q 的 99% 熱敏電阻偏置電流。
圖 2. BQ25622 和 BQ25638 中的 TS_BIAS 引腳。
在運輸模式下關閉系統電壓，同時保持電池供電，可以進一步降低 IQ。如圖 3 所示，BQ25622 和 BQ25638 集成了一個雙向阻斷內部場效應晶體管 （FET） （Q4），該晶體管將電池與處于關斷狀態的系統隔離開來。運輸模式不僅適用于產品即將出廠裝箱的情況，也適用于設備電池電量不足或用戶希望關閉產品電源的情況。
圖 3. BQ25620 方框圖
在汽車 BMS 充電器中實現納安級 IQ
2018 年，歐盟強制要求在歐洲市場上發布的所有汽車都必須配備緊急呼叫 （eCall） 系統。在車輛發生嚴重道路事故時，該系統將自動聯系緊急救援人員，將車輛的 GPS 坐標發送到當地的緊急服務部門，并以無線方式發送安全氣囊部署和碰撞傳感器信息。eCall 系統擁有獨立于車輛電池的專用電池，其電量必須足夠支持進行 10 至 15 分鐘的電話通話，在初始通話后 60 分鐘內保持蜂窩網絡連接，并確?？梢噪S時正常運行。BQ25171-Q1 充電器 IC 發揮著至關重要的角色，負責在車輛啟動后為 eCall 電池充電。在車輛熄火狀態下，該充電器 IC 將進入睡眠模式，并僅消耗電池的 350nA 電流。低 IQ 有助于延長 eCall 待機時間，以便為緊急情況做好準備。
在電壓監控器中實現納安級 IQ
在待機模式下，汽車 OEM 為連接到電源電壓軌上的所有電子設備分配了 100μA 的預算。這些電子設備可能包括電源監控器、負載開關、保護瞬態電壓抑制二極管和直流/直流轉換器。電壓監控器中的納安級 IQ 可幫助汽車 OEM 滿足此系統級待機模式 IQ 預算。盡管待機 IQ 降低，但電壓監控器器件無法延長其待機故障響應時間。功能安全要求規定了器件的故障響應，其特征是從檢測到報告故障的容錯時間間隔。該時間間隔的設計范圍為 100μs 到 10μs 以下。
具有 1.5% 閾值檢測精度的傳統電源電壓監控器解決方案在印刷電路板 （PCB） 上采用具有分立式電阻器的可配置分壓器。為了降低系統 IQ，這些分立式電阻器的值需要按比例增大到幾十兆歐。由于面積方面的限制，PCB 設計人員通常不會在其電路板上添加高阻抗檢測電阻梯。因此，電阻梯集成到 TPS37-Q1 窗口監控器的裸片上?；鶞事窂缴系牡?IQ 通過以下方式實現：對電壓基準進行占空比調節并將基準存儲在電容器上，并通過將內部檢測電阻梯構造為非線性電阻梯并重新配置為恒阻區域和恒流區域之間，從而在較高電壓下創建具有超高阻抗的檢測電阻梯。
TPS37-Q1 等寬 VIN 窗口監控器需要處理外部高電壓輸入和內部子穩壓電壓之間的電壓擺幅。動態電路能夠檢測上升和下降轉換，通過在外部高電壓域和內部穩壓域之間的電平轉換器上啟用臨時的渦輪模式，以縮短系統響應時間，同時保持低 IQ。
在工業和個人電子產品直流/直流轉換器中實現納安級 IQ
在諸如計量系統、煙霧探測器、智能手表、醫療傳感器和助聽器等電池供電系統中，總會有一到兩個電壓軌持續處于啟動狀態，以便為系統的微處理器、關鍵傳感器或可能的通信總線供電。這些常開電壓軌需要具有非常高的效率，以便延長電池運行時間，因此降低 IQ 非常重要。
TPS62843 降壓轉換器針對 50μA 至 300mA 的負載電流進行了優化，并具有省電模式，IQ 工作電流為 275nA，關斷電流為 4nA。TPS63901 降壓/升壓轉換器和 TPS61299 升壓轉換器都具有輸入電流限制功能，可保護不支持高峰值電流的電池，例如紐扣電池。TPS63901 轉換器具有動態電壓調節功能，運行期間可在兩個輸出電壓之間進行切換，并可在待機模式下通過降低系統電源電壓來降低功耗。如圖 4 所示，這些直流/直流轉換器中的電阻器到數（R2D） 電路可設置輸出電壓，這有助于消除反饋電阻器中的漏電流，實現更小的解決方案尺寸和降低設計成本（因為選擇輸出電壓所需的電阻器要少一個）。
圖 4. 電源 IC 已啟用，然后 R2D 電路以兩個電流源級別運行：軟啟動和正常運行
圖 5 展示了 LMR36502 降壓轉換器和 TPSM365R15 降壓模塊的超低運行 IQ。在 20V 至 60V 的整個工作電壓范圍內且常開電壓軌需要運行的情況下，4μA 的工作 IQ 保持相對恒定，從而有助于延長電池壽命。
圖 5. FSW = 1MHz 且 VOUT = 3.3V 時的 LMR365R0X 和TPSM365R15 IQ
在汽車直流/直流轉換器中實現納安級 IQ
在傳感器、緊急呼叫系統和區域控制單元等許多常開型汽車應用中，長待機時間和高輕負載效率至關重要。
LMQ66430-Q1 降壓轉換器專為克服這些挑戰而設計，可在 1mA 負載下實現 >85% 的效率，并在 13.5VIN 下實現1.5μA 的典型空載電流消耗。IC 會在啟動時對 VOUT/FB引腳運行阻抗檢查。如果沒有檢測到外部反饋電阻器，該器件將自動使用內部反饋網絡來設置固定的 3.3V 或 5V 輸出電壓，這有助于盡可能地減少反饋網絡中的泄漏并降低IQ。LMQ66430-Q1 使用一個內部低壓降穩壓器 （LDO） 來為 IC 的內部電路供電。與使用輸入電壓為 LDO 供電并帶來效率損失的方式不同，LMQ66430-Q1 利用 VOUT/FB引腳提供的相同電壓為內部 LDO 供電，隨后偏置所有內部電路以盡可能地降低總 IQ。
另一個降壓轉換器 TPS62903-Q1 使用 R2D 接口來設置輸出電壓，從而減少漏電流。隨著負載減小，TP62903-Q1會無縫轉換到省電模式。在該狀態下，IC 以脈沖頻率調制（PFM） 模式運行，通過降低開關頻率來在輕負載條件下保持高效率，如圖 6 所示。這會將 IQ 典型值降低至 4μA。
圖 6. 效率與輸出電流間的關系（3.3VOUT，2.5MHz，1μH，自動 PFM 或脈寬調制）
結語
納安級 IQ 與 TI 工藝技術實現的高電壓電源芯片性能相結合，有助于延長多種類型電源應用中的待機運行時間。務必要了解最終產品的任務剖面，以便為系統或 IC 設計設定合適的 IQ 目標。
參考資料
1.德州儀器 （TI）：應對低功耗應用中的低 IQ 挑戰。
2. Zhou, D. et al. “Mission Profile Based System-Level Reliability Analysis of DC/DC Converters for a Backup Power Application.” IEEE Transactions on Power Electronics 33, No. 9 （September 2018）。
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