利用升壓轉(zhuǎn)換器延長電池使用壽命

作者：Nini Zhong(Eileen Zhang是本技術(shù)文章的合著者.) 時間：2023-10-10 來源：電子產(chǎn)品世界

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器件的靜態(tài)電流(I_Q)對于連續(xù)血糖監(jiān)測器 (CGM) 等低功耗節(jié)能終端設(shè)備而言，是一個重要參數(shù)。集成電路在輕負(fù)載或空載條件下消耗的電流會顯著影響待機(jī)模式下的功率損失，以及系統(tǒng)的總運(yùn)行時間。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202310/451338.htm

由電池供電的負(fù)載實際上并不是常開型負(fù)載，而是脈寬調(diào)制 (PWM) 負(fù)載，這意味著負(fù)載包含兩個時間段：t_PWM和 t_Standby，如圖 1 所示。盡管 t_Standby占總負(fù)載周期（在圖 1 中顯示為 T）的 99.9%，但它對提升效率（尤其是輕負(fù)載效率）仍非常重要。

圖1 電池系統(tǒng)負(fù)載情況

為了提升效率和延長電池使用壽命，人們面臨著降低待機(jī)模式功率損失、限制電流尖峰和減小導(dǎo)通時間脈沖期間占空比的諸多挑戰(zhàn)。具有低 I_Q 的升壓轉(zhuǎn)換器可幫助降低電池的總功率損失。

選擇低I_Q升壓轉(zhuǎn)換器來提升總效率

CGM 展示了為何最大程度降低 I_Q 對于延長電池使用壽命是重要的。圖 2 展示了 CGM 電源塊，其中包括一個用于讀取血糖濃度的傳感器，一個用于捕獲血糖讀數(shù)的發(fā)送器和一個用于通信和顯示的無線接收器。該發(fā)送器由一個紐扣電池、升壓轉(zhuǎn)換器和模擬前端組成（圖 3），該模擬前端消耗大部分電能。

圖2 CGM的電源架構(gòu)

圖3 CGM發(fā)送器的電源架構(gòu)

圖4展示了模擬前端的負(fù)載電流。如您所見，發(fā)送器在 99% 的時間處于待機(jī)模式。

圖4 CGM發(fā)送器中電流消耗隨時間的變化

公式1計算了電池在一個負(fù)載周期中提供的總功率為：

(1)

降低 IQ 可直接提升待機(jī)模式下的效率。

德州儀器的 TPS61299 升壓轉(zhuǎn)換器僅從V_OUT中消耗95nA的I_Q，因此可在 CGM 的以下典型待機(jī)條件下將效率提升 39%：V_IN=3.0V，V_OUT=3.3V 且待機(jī) I_OUT=10μA（圖 5）。在每個 288s 的負(fù)載周期中，30mA 的導(dǎo)通時間脈沖負(fù)載持續(xù) 600ms，相當(dāng)于每天節(jié)省多達(dá) 2.53W 的功率。提升待機(jī)模式下的效率最終可延長 20% 的電池使用壽命。

圖5 TPS61299和600nA I_Q器件的效率曲線

限制電池的放電電流

盡管高能量密度、低放電紐扣電池極其常見，但其主要缺點(diǎn)是具有高等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和有限的電流能力。PWM 負(fù)載應(yīng)用的占空比小，高電流脈沖會產(chǎn)生遠(yuǎn)高于放電電流的高浪涌電流尖峰，這對電池容量和電池使用壽命都會產(chǎn)生不良影響，尤其是在使用超級電容器時。同樣，ESR 會隨著電池老化而增大，由電流尖峰導(dǎo)致的功率損失也會相應(yīng)增加。

電池容量與放電電流成反比，電池使用壽命與容量具有線性關(guān)系，如圖 6 所示。將放電電流從 500mA 降至 100mA 可將電池使用壽命增加一倍。

TPS61299 升壓轉(zhuǎn)換器系列提供從 5mA 到 1.5A 的輸入電流限值，可精確限制導(dǎo)通時間脈沖期間的放電電流，幫助延長電池使用壽命。

圖6 電池使用壽命與放電電流

選擇具有快速瞬態(tài)響應(yīng)時間的器件

通過減小負(fù)載的導(dǎo)通時間脈沖寬度來降低總功率損失，也能延長電池的總使用壽命。

圖 7 展示了智能手表 LED 的逐周期負(fù)載情況。PWM 負(fù)載包含兩個階段：瞬態(tài)時間 (ttran) 和采樣時間 (tsample)。ttran 測量升壓轉(zhuǎn)換器在發(fā)生負(fù)載電流或電源電壓突變后快速穩(wěn)定至目標(biāo)輸出電壓的時間。tsample 是光電二極管穩(wěn)定后的恒定值。

縮短 ttran 會大大縮短 PWM 時間 (tPWM)，反過來增加消隱時間 (tBLANK)，并使 IQ 運(yùn)行狀態(tài)時間更長。假設(shè)可以將 ttran 從 100μs 降至 10μs，且 tsample 為 10μs、周期時間為 250μs，則可以將 tBLANK 從 140μs 延長至 230μs，如圖 8 所示。