TI超低功耗电路开启新一代能量采集

    2013年11月21日，TI（德州仪器）宣布推出新一代电源管理集成电路。可高效提取和管理从光源、热源或机械能源采集的微瓦至毫瓦级电源。据TI电池管理市场及应用经理文司华博士介绍，此次发布的五款产品可以分为两类：电源采集芯片，包括bq25570 升压充电器和bq25505 升压充电器；超低功耗 DC/DC 转换器，包括TPS62740、 TPS62736 和TPS62737。

　　　
图1 发布会现场，TI电池管理市场及应用经理文司华博士为大家介绍新产品

    能量采集技术并不是一个新鲜事物，它的实用化进程是从2000年前后开始的，TI、高通、ARM和其他半导体大厂均有涉足。能量采集设备的优点在于能够实现无电池工作、省去了布线的烦恼，所以对于无线应用和难以触及的设备来讲尤为重要。TI此次发布的产品正是用于无线传感器网络、监控系统、可穿戴式医疗设备、移动附件等难以获得供电的应用领域，实现它们的无电池工作。

    超低功耗升压充电器bq25505

    bq25505 为一款超低功耗升压充电器，可实现低至 325nA 的工作静态电流，对于能量采集来说，如此低的静态电流其意义是非凡的，正如文司华博士所说，“对TI芯片设计的第一个挑战是：芯片的IQ自耗电电流必须要非常小。这是最大的挑战，因为现在在DC/DC转换时，1—10mA自功耗是常见的，在Standby的情况是几十个μA到100 μA，在关机情况下1—2个μA是做得不错的。这是通常的DC/DC的要求，但对能量采集来说是远远不够的，因为其进来的电流一共才2μA，自己的功耗就耗掉1μA，能效是50%，这还算不错的，还有50%的静电流，这个挑战需要很多研究去做，包括拓扑结构和芯片设计。”

    bq25505 与它的前辈，也就是TI早在2011年发布的bq25504相比，能量收集效率从70%提高到了90%，并且是在输出电流只有10微安的情况下。另外，bq25505 支持双电池，即除了具有可以存储从外界收集来的能量的主存储原件外，还具有备用电池 ，以便在长时间黑暗或无能源时依旧能够实现供能。
　　　
图2  bq25505应用图   说明：它有两个能量存储，VBAT1是备用的、不可充电的电池；VBAT2是主存储元件，是可充电的电池，可以是充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容等。VSTOR可以作为控制点，才有CSTOR电压。

    集成了稳压器的升压充电器bq25505

    另一款升压充电器bq25505 能够生成高精度的稳定电压，工作电压可以低至120mV。与 bq25570 相比，其内部集成了稳压器，这在业界属于一个创举，以前的设计都是把稳压器放在一个存储元件，比如超级电容上，输出的时候上面有多少电压就拿出来多少，稳压电源部分一般是要放在应用部分，现在这个芯片直接集成了稳压电源。优点在于改善了以往稳压电源放在客户端或输出端其功耗难以控制的局面，集成在同一芯片上，整体还能保持纳安级的功耗。集成了稳压电源的bq25505的整体功耗是488nA的静态电流，远小于通常DC/DC关机电流。bq25505在10μA轻载的情况下还能有90%的效率，这得益于其极低的自耗电流。
　　　
　　　
图3  说明：在多串电池太阳能范围内，1.4V、1.6V或者2V的作为太阳能输入非常理想，可以达到90%的效率；在单电池太阳能范围，0.6、0.8V输入电压下，效率也在80%以上；在热电耦和范围内，即便是非常小的温差，0.2V或0.15V的情况下，效率仍能达到60%—70%

    低功耗的降压转换器系列

    除了电池管理电路外，TI 还针对 300mA 输出电流设计方案推出了最小、最低功耗的降压转换器 TPS62740，它的输出能力为300mA，主动工作状态下支持 360nA 的静态电流，而待机状态下静态电流则为 70 nA，正是由于其极低的静态电流，使得其在10μA轻载的情况下也能实现90%的效率，适用于蓝牙、Zigbee，工业计量/传感器、能源采集等要求低功耗的应用。另外，它实现了同类产品中的最小的尺寸，包括外部的电容、电感在内一共31平方毫米。

    同时文司华也在现场介绍了TPS62740的应用案例（如图4所示），图4为一典型的降压电路，电感在输出端的降压电路，所有的开关都集成在TPS62740里，TPS62740的部分管脚输出电压部分。蓝色部分为main supplier，给下面LCD Display+Driver一个恒压，上面的CC2540/41做为主控制部分，是TI新一代低功耗无线连接方案，比如无线蓝牙BLE方案可以实现对智能终端平台（智能手机、平板电脑）、可穿戴设备、便携医疗电子、物联网等无线应用的控制。 同时LOAD管脚可以直接向加速器、传感器、电子罗盘和温度传感器进行供电。此电路中整个供电部分相当于用一颗芯片完成，无论从电源本身还是从应用芯片上整体功耗都实现了降低。
　　　
    图4  TPS62740的应用案例

    另外，对于更低电流设计而言，TI 针对 200mA 设计方案的最新 TPS62737 转换器以及针对 50mA 设计方案的 TPS62736 可在主动工作期间实现 370nA 的超低静态电流，在睡眠模式下实现 15nA 的静态电流，而在输出电流不足 15uA 的情况下也可实现 90% 的效率。

    应用与前景

    能量采集技术的应用领域主要可概括为三个方面：无线终端，如智能家居、可穿戴设备；难以触及的设备，比如人体医疗上的植入设备，石油钻井平台和管道，需要大量传感器供电的设备；最后一类是环境感知，主要用在仓储、物联网、工业类。此次TI推出的五款产品主要面向工业类应用、汽车应用、医疗以及可穿戴设备。其中工业类应用及汽车应用为TI的战略重点。对于可穿戴设备应用的市场，文司华也做了相应解释：“今天发布的5款芯片完全可以应用到可穿戴设备里。bq2423x和bq2424x，24210是跨界的，功率稍微大一些，另外，Wireless Charging正在研发过程中，Wired Charging是我们低成本的线性充电器”。

    据悉，已实现改组的TI无线部门把自己的战略方向放在了物联网上，英特尔、高通、ARM等半导体巨头看好物联网，75%的企业领袖关注物联网商机......种种迹象似乎都表明，物联网时代的到来是大势所趋。有业内人士预言，能量收集芯片是未来物联网真正的核心技术，那么，拥有丰富电源管理经验的TI在物联网市场的角逐上无疑是有优势的，希望此次TI推出的新一代能量采集解决方案能够助力物联网技术的实现。设计能量收集芯片一个很大的挑战在于如何减少环境的限制而实现芯片的自行储能，因为并不是在所有的环境下都有可用的太阳能。bq25570、bq25505支持的能量来源为光、热量、震动、RF，但主要的来源还是集中在光源和热量上，从这个角度来讲，TI的能量采集方案仍然有进步的空间，同时，这一瓶颈也是其他致力于能量采集芯片开发的公司（比如高通、ARM）所要面对的。