利用升壓轉換器延長電池使用壽命
發布時間：2023-10-10 20:13
發布者：eechina
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作者：Nini Zhong，德州儀器 （Eileen Zhang 是本技術文章的合著者。） 器件的靜態電流 (IQ) 對于連續血糖監測器 (CGM) 等低功耗節能終端設備而言，是一個重要參數。集成電路在輕負載或空載條件下消耗的電流會顯著影響待機模式下的功率損失，以及系統的總運行時間。 由電池供電的負載實際上并不是常開型負載，而是脈寬調制 (PWM) 負載，這意味著負載包含兩個時間段：tPWM 和 tStandby，如圖 1 所示。盡管 tStandby 占總負載周期（在圖 1 中顯示為 T）的 99.9%，但它對提升效率（尤其是輕負載效率）仍非常重要。 
圖 1：電池系統負載情況 為了提升效率和延長電池使用壽命，人們面臨著降低待機模式功率損失、限制電流尖峰和減小導通時間脈沖期間占空比的諸多挑戰。具有低 IQ 的升壓轉換器可幫助降低電池的總功率損失。 選擇低 IQ 升壓轉換器來提升總效率 CGM 展示了為何最大程度降低 IQ 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的發送器和一個用于通信和顯示的無線接收器。該發送器由一個紐扣電池、升壓轉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
圖 3：CGM 發送器的電源架構 圖 4 展示了模擬前端的負載電流。如您所見，發送器在 99% 的時間處于待機模式。
圖 4：CGM 發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載周期中提供的總功率為：
降低 IQ 可直接提升待機模式下的效率。 德州儀器的 TPS61299 升壓轉換器僅從 VOUT 中消耗 95nA 的 IQ，因此可在 CGM 的以下典型待機條件下將效率提升 39%：VIN = 3.0V，VOUT = 3.3V 且待機 IOUT = 10µA（圖 5）。在每個 288s 的負載周期中，30mA 的導通時間脈沖負載持續 600ms，相當于每天節省多達 2.53W 的功率。提升待機模式下的效率最終可延長 20% 的電池使用壽命。
圖 5：TPS61299 和 600nA IQ 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，但其主要缺點是具有高等效串聯電阻 (ESR) 和有限的電流能力。PWM 負載應用的占空比小，高電流脈沖會產生遠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，由電流尖峰導致的功率損失也會相應增加。 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 升壓轉換器系列提供從 5mA 到 1.5A 的輸入電流限值，可精確限制導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 選擇具有快速瞬態響應時間的器件 通過減小負載的導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 的逐周期負載情況。PWM 負載包含兩個階段：瞬態時間 (ttran) 和采樣時間 (tsample)。ttran 測量升壓轉換器在發生負載電流或電源電壓突變后快速穩定至目標輸出電壓的時間。tsample 是光電二極管穩定后的恒定值。 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 運行狀態時間更長。假設可以將 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。
圖 7：傳統 PWM 負載
圖 8：具有快速瞬態性能的 PWM 負載 在 tBLANK 和縮短的 ttran 時間內，通過維持低 IQ 來實現高效率總是步履維艱。低 IQ 器件的響應時間總是很長，因為在 IQ 非常低的情況下為內部寄生電容充電是具有挑戰性的。 然而，TPS61299 可實現更快的瞬態響應時間，且帶寬更寬。例如，在 3.6V 輸入和 5V 輸出條件下，輸出電流從 0mA 升高至 200mA 的典型穩定時間是 8µs，如圖 9 所示。
圖 9：TPS61299 的瞬態波形 結語 為幫助設計人員降低電池總功率損失，TPS61299 升壓轉換器同時整合了三種有效的方法： 選擇低 IQ 升壓轉換器來提升總效率。 限制電池的放電電流。 選擇具有快速瞬態響應時間的器件。 |
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