利用升壓轉(zhuǎn)換器延長電池使用壽命
2023-10-10 10:46:13 德州儀器器件的靜態(tài)電流 (IQ) 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模式下的功率損失，以及系統(tǒng)的總運行時間。
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：tPWM 和 tStandby，如圖 1 所示。盡管 tStandby 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 IQ 的升壓轉(zhuǎn)換器可幫助降低電池的總功率損失。
選擇低 IQ 升壓轉(zhuǎn)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(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 可直接提升待機模式下的效率。
德州儀器的 TPS61299 升壓轉(zhuǎn)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(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(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。
圖 7：傳統(tǒng) PWM 負(fù)載
圖 8：具有快速瞬態(tài)性能的 PWM 負(fù)載
在 tBLANK 和縮短的 ttran 時間內(nèi)，通過維持低 IQ 來實現(xiàn)高效率總是步履維艱。低 IQ 器件的響應(yīng)時間總是很長，因為在 IQ 非常低的情況下為內(nèi)部寄生電容充電是具有挑戰(zhàn)性的。
然而，TPS61299 可實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)時間，且?guī)捀鼘?。例如，?/span> 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(wěn)定時間是 8μs，如圖 9 所示。
圖 9：TPS61299 的瞬態(tài)波形
結(jié)語
為幫助設(shè)計人員降低電池總功率損失，TPS61299 升壓轉(zhuǎn)換器同時整合了三種有效的方法：
· 選擇低 IQ 升壓轉(zhuǎn)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(tài)響應(yīng)時間的器件。
關(guān)鍵詞： 脈寬調(diào)制 PWM
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