钜大LARGE | 点击量：1474次 | 2021年04月14日
什么是纳安级静态电流？纳安级静态电流对电池寿命有什么意义呢？
是什么促成了所有有关可穿戴和物联网(IoT)的趋势与讨论？测量体温、输送胰岛素以及监测心率的医疗贴片必须长时间、可靠地工作。此外，这些设备在供病人使用之前，一般在储藏室及药品柜中存放较长的时间。在使用时，医生和用户必须确信其设备的电池有效、状态良好。同样地，智能手表、耳塞式耳机和视频游戏控制器必须能够在两次充电期间使用较长的时间(图1)。谁会希望不停的充电或是设备在要使用时却没电了呢？假如在铁人三项运动中还要中途停下来充电，这样尴尬的画面实在是无法想象。此外，电表、煤气探测器和楼宇自动化系统等设备以及大量现场传感器必须能够在现场可靠工作，这些设备都倾向于在后台持续工作，不会频繁地进行充电和维护。从医疗健康和生物检测到可穿戴和环境检测，几乎所有的IoT设备都依赖于电池，电池必须能够在各种条件下可靠地、长时间地工作。实际上，电池寿命的问题已经远比我们想象的严峻。
一份市场全球行业分析调研公司(GlobalIndustryAnalysts,Inc)的报告显示，受当前新兴无线网络时代日益普及的移动需求的推动，全球便携式电池供电产品市场规模到2020年将达到8654亿美元。关于一个普通两口之家，通常会用到30至60块电池，而每款设备都拥有其独特的能耗模式。
影响电池寿命的因素有什么？
在完成制造之后，许多IoT节点设备保持在关断模式，通常存放在货架上，直到被卖出并打开使用。这些设备在其寿命期内的大部分时间处于待机模式，定期执行某些动作或将输出传输至云端。关于可穿戴健身监测设备，用户在训练时穿戴的时间跨度相对较短，尤其如此。鉴于此，就有必要探索改进设备处于被动模式时的节电途径。
系统设计者根据中央控制单元(例如微控制器)的工作、睡眠和休眠电流计算电池寿命。相关的传感器和无线电也与微控制器一起协同工作。当然，电源为系统中的所有功能电路供电，也至关重要。虽然工作耗流是延长电池寿命的重要因素，但工作时间最终受各种电源模式下所消耗的时间量的影响。假如休眠和深度休眠功能占据较多的时间，每个元件的待机电流就至关重要。这种情况下，电源的静态电流是影响系统待机功耗的最大因素。例如，假设某个系统由40mAh、1.55V氧化银纽扣电池供电，其使用期限为1年(图2)。假如吸入电流为大约4µA，将该电流降低1微安即可将可穿戴设备的使用期限延长大约三个月。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
图2.到2020年，全球将拥有价值8654亿美元的便携式电池供电产品
静态电流的影响不可低估
电源处于待机模式时，功耗由静态电流(IQ)决定，后者是指电路的静默状态，此时不驱动任何负载，输入不进行切换。静态电流虽然微不足道，但会实质上影响系统在轻载条件下的功率传输效率。
有时候容易混淆静态电流与关断电流。静态电流时，系统处于空闲状态，但随时可唤醒并采取动作，这通常是用户希望的设备状态；另一方面，关断电流时，是指设备处于休眠状态。
设计者利用静态电流评估电源在轻载时的功耗，利用关断电流计算设备关断且电池连接到调节器时的电池寿命。
为延长设备电池寿命，采用低功耗控制器、传感器、无线电和高效电源进行设计。高级节点CMOS制造工艺等设计技术也有助于降低产品的总体功耗，进而有效延长电池寿命。有些设计者选择使用升压转换器，当电池电压下降到较低电平时，可延长电池寿命。然而，假如选择的转换器不正确，这种方法实际上会造成静态电流较高，电池电量消耗更快。
最终产品的规格是另一项重要注意事项。消费者，进而设计者被迫选择越来越小、越来越轻的产品。困难在于，设备的电池通常是设备电路板上最大、最重的组件。当然，电池的尺寸越小其容量就越小这与较长电池寿命的需求是矛盾的。所以设计者必须综合权衡电池容量和尺寸与有效电源管理技术之间的关系。提高系统电源效率是延长电池寿命的一种常见途径。
密切关注升压转换器等电源调节器的静态电流指标意义重大该电流越低，电池寿命就越长。所以就要既能供应较低静态电流且尺寸规格比当前市场上可用产品更小的技术，特别是关于现在的超小尺寸设计。在这种情况下，即使低至毫安级的电流也不足以影响电池寿命。当今的可穿戴、移动及IoT设计要求低至纳安级的电流。
选择正确的升压转换器
升压转换器是输出电压高于源电压的DC-DC转换器。纵观升压转换器市场，根据行业分析数据，VIN(5V)升压电源管理电路上升最快。根据推动这种上升的IoT应用的要求，设计者正在寻求能够供应较低电压轨、较长电池寿命以及较小方法尺寸的升压转换器。
正确选择能够有效延长电池寿命的升压转换器，要严格注意一些关键条件，包括：
1.静态电流：该电流越低，转换器就越能延长系统待机模式下的电池寿命。
2.真关断模式：关断时将电流输出与输入阻塞，该功能可提高效率、延长最终产品使用期限。假如作为转换器的集成功能，还能够节省昂贵的外部元件。
3.输入电压范围：允许利用几乎耗尽的电池进行工作。
4.效率：测量VIN、VOUT和IOUT，百分比越高，越有利于延长电池寿命(uA级时的效率高于90%则比较理想)。
了解厂商在电源管理技术领域的业绩也非常重要。可信赖的厂商拥有为各种规模、各个行业的客户供应先进技术的悠久历史，随时间推移持续增强其专业技术和产品。有些厂商也为客户供应在线仿真工具，根据其设计指标评估效率曲线和材料清单(BOM)成本。假如能够使用评估系统和评估板，则能够快速建立各种尺寸的设计原型。此外，超小尺寸封装关于成本及尺寸敏感的设计也至关重要。
带真关断功能的超低静态电流升压转换器
Maxim现在供应DC-DC升压转换器，拥有超低静态电流(300nA)和真关断(TrueShutdown™)技术，可理想用于要求长电池寿命的电池供电应用。MAX17222nanoPower升压调节器具有0.5A峰值电感电流限值(图3)。器件采用真关断技术，输出与输入断开时，无正向或反向电流。输出电压可由一个1%标准电阻选择。MAX17222拥有启动后使能瞬态保护(ETP)，根据负载电流的不同，当输入电压下降到400mV以下时，允许输出保持在稳压范围之内。升压转换器采用0.88x1.4mm2、6焊球WLP封装和6引脚uDFN封装，峰值效率高达95%，最大程度减少散热。
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