通过降低静态电流延长电池寿命

2017年3月13日

Meng He  By: Meng He
 核心产品组执行业务经理, Maxim Integrated


贴片形式的医疗监测设备可测量体温、监测心率以及输送胰岛素。此类设备在提供给病人之前,可能会在储藏室存放较长一段时间。因此,保持其功效的关键就在于较长的电池寿命。一系列其他的物联网(IoT)设备亦是如此,包括从智能手表和耳塞式耳机到视频游戏控制器、电表以及楼宇自动化系统。对于此类小尺寸、电池供电的系统,就必须掌握通过低静态电流延长电池寿命的设计奥秘了。

对于一个普通的两口之家,各种设备中所使用的电池可能有30到60块,其中每种设备都具有各自独特的耗能模式1。电池寿命一般是根据中央控制单元(例如微控制器)在工作、睡眠和休眠模式下的电流计算的。相关的传感器和无线电也与微控制器一起工作。电源通常包括开关或低压差(LDO)调节器,有时也包含IC (PMIC)——这对于系统各功能模块的供电至关重要。工作模式的电流消耗当然对电池寿命的影响非常大,但是待机电流同样影响巨大,尤其是当设备的睡眠/休眠功能占据了大部分使用时间的情况下。睡眠/休眠期间,电源的静态电流是系统待机功耗的最大贡献者。举例来说,如果某个系统由一个40mAh、1.55V、1年使用期限的氧化银纽扣电池供电,电流消耗大约为4µA。此时,该电流只需降低1微安,可穿戴设备的使用寿命即可延长大约三个月2。尽管名义上来说,静态电流会较大影响系统在轻载运行下的功率传输效率。

想要延长设备的电池寿命,设计者至少需要掌握利用低功耗微控制器、传感器、无线电和高功率电源等组件进行设计的技巧。运用高效电源管理技巧来平衡电池的容量与尺寸也是至关重要的,特别是当设计越来越趋向小型和轻量化时。此外,当电池电压下降到较低水平时,选择正确的升压转换器——输出电压高于源电压的DC-DC转换器可有效延长电池寿命。想要确保为电池供电设计选择正确的升压转换器,需要考虑以下因素:

  • 静态电流:越低的静态电流越有利于延长系统待机模式下的电池寿命。
  • 真关断模式:关断时将电流输出与输入阻塞,提高效率、延长产品保存期限。
  • 输入电压范围:允许利用几乎耗尽的电池进行工作。
  • 效率:测量VIN、VOUT和IOUT,百分比越高,越有利于延长电池寿命(uA水平的理想效率为大于90%)。

毫无疑问,低静态电流且小尺寸的电路将会使当今的超小尺寸设计获益。当然,纳安级的电流将是最理想的。

最新升压转换器——静态电流仅为300nA

Maxim现在提供全新DC-DC升压转换器产品家族,可理想用于需要较长电池寿命的电池供电应用。这些转换器提供超低静态电流(300nA)和真关断(True Shutdown™)技术,输出与输入断开时没有正向和反向电流。其中,MAX17222的峰值电感限流为0.5A。输出电压可选择使用一个1%的标准电阻。电路采用0.88 x 1.4mm2、6焊球WLP封装和6引脚uDFN封装,整个负载范围内的峰值效率高达95%。

MAX17222 boost converterMAX17222升压转换器的静态电流仅为300nA。

阅读白皮书为什么低静态电流对电池寿命影响重大, 深入了解静态电流对电池寿命的影响。

参考资料:

1 http://blog.batterysharks.com/average-household-and-the-number-of-batteries/
2 Maxim Integrated. 应对可穿戴和IoT设备的设计挑战。San Jose, 2017.