电池知识
锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源
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锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源
电表无需更换电池，电网监控可节省可观电量，TWS（真正无线立体声）耳机减少充电次数，居家摄像头、资产跟踪等物联网产品自耗电越来越低……。近日，德州仪器（TI）电池管理系统产品线经理王世斌先生来京，带来了四种超低静态电流（IQ）芯片，并解析了其使用与相关技术。
1低静态电流的紧要性
首先，IoT的发展促使了电池小型化的需求，当这些产品小型化的时候，要怎么样让电池做得更小甚至无需电池，就变得至关紧要。关于自耗电，静态电流惟有更小，没有最小。
其次，电池的使用寿命是有限的，一个锂电池一般是500次充放电。倘若把静态电流做得更小的话，可使待机时间增倍，从而减少充电次数，从而延长电池的使用寿命。
再有，很多时间互联网产品大部分处于静态/不工作/监控状况下，所以功耗大都来自静态，倘若静态电流做得更小，便可以把充电的次数降低，延长电池的寿命。
可见，倘若能把静态电流做低，可以从多次性的充电电池换成较为便宜的一次性电池，或者减少充电周期。
2TI电池充电组的创新
TI电池包里分类很细，有6大类产品（如下图）。第一类是降压型DC/DC产品，就是开关电源产品，即LDO；还有升压型的开关芯片，也包括多通道/相位或者升降压的芯片；另外一种是比较简单的线性电源芯片；因为做电源很多时候要接触到电源的开关，因此也会有电源开关、接口于照明的产品，如LED灯；还有相对高压的产品，例如TI于2018年公布的AC/DCGaN（氮化镓）控制器产品；最后是电池管理产品。
此次TI带来的4款新品紧要是TpS7A02线性稳压器，另外三款是充电芯片BQ25619，降压型稳压器TpS62840，还有TpS3840监控器。这四款产品都具备自耗电比较低的共通特性，与前代相比降低了数倍。
为甚么电池充电组有TpS和BQ系列之分？实际上大部分TpS和DC/DC电源相关，BQ与电池相关。
2.1线性稳压器TpS7A02：低静态电流、稳压
2019年九月十八日，TI刚刚出炉这款超小型、低压降线性稳压器（LDO），亮点是静态电流约25nA，比前一代降低了约40倍（如下图），这意味着待机时间延长了40倍！
低静态电流只是此款LDO关键的一部分而已，一款优秀的LDO还要具备多种功能，最紧要的功能是稳压，此款LDO对瞬态电流应和较快，对应50mA的负载，它在5μs就可以应和过来。应和速度非常关键，倘若一个LDO应和不快，一个负载来了以后，系统可能就垮掉了，于是也起不到线性稳压器的用途。
新的TpS7A02另一个优点是体积小，惟有0.65mm×0.65mm的封装，比前代小了70%。这意味着可以适应各种场景去使用，尤其是可用于微型中。
TpS7A02的使用紧要有四大类。
●电网基础设施。例如电表。因为一般电表里采用一次性电池，不过，要派人定期去更换电池。有了这种静态电流LDO，基本上在电表寿命周期里无需更换电池了。
●楼宇自动化。例如摄像头也同样适用。在人少的地方，摄像头大部分时间处于休眠状况，惟有人走过时才会启动摄像，所以自耗电对其非常紧要的，可能比工作耗电占的比例更大。
●医疗。一些传统医疗设备有电池充电的产品。这些医疗设备有很精准的ADC或信号链产品，因而耗电较高，所以电池通常较大。不过，一般家庭并不会每天用到这些设备，所以很多时候设备处于待机状态。静态电流低便可减少充电的次数，达到更长的待机时间。
●可穿戴产品。
2.2开关稳压器TpS62840：静态电流65nA
开关DC/DC稳压器可满足始终开启的使用需求。
上一节的LDO静态电流是25nA，而本节的开关稳压器TpS62840为甚么是65nA？关键在于工作时间长短。众所周知，开关电源的效率较高，在这种场景下，客户要权衡设备在静态和动态的时候分别有多少时间？在动态多的场景，用开关DC/DC是比较好的，在静态多的时候用LDO较好。
在动态时间比静态时间长的场合，开关DC/DC在静态时还是能得到65nA的静态电流，也是令人满意的。
从实现原理分解，与前代产品相比（360nA，如下图），新的TpS62840是65nA，这是非常难达到的，要在开关键里不断更新上关与下关，所以静态电流会比LDO高，但是比前代静态电流已经低了6倍。而且封装更小了，从往日6mm2缩小到3mm2。从DC/DC来说，效率也非常紧要，该芯片能做到在1µA负载下供应80%的超高轻负载效率，已经非常难得了。倘若在更高负载的情况下，例如300mA时能做到超过90%甚至95%。
另外一个特色是在芯片里，一般开关电源都会遇到开关时噪音很大的问题，这会对ADC的数据采集造成影响。因此TI做了2个模式，一个是停止模式，即当要采集特别敏感数据的时候，可以把开关电源略微停下来，用外挂电容为系统供应短时电压。当然时间是非常短暂的，因为是靠外挂的电容，但是是非常静态的，噪音等级与LDO已非常接近。
再有，新的TpS62840适合的电压也是比较广的，最高能达到6.5V。因为在此设计里已经考虑到多种化学电池的使用场景，对各种电池电压都能适应，例如有些是锂电池4.2~4.5V，一次性电池有些是AA电池为1.2V，用三四节，因此四点几伏、5V、6V都有可能用到。
场景使用方面，包括前述的电网设备。电网设备有时可能传输数据比较频繁，工作时间较长，这时要用到开关电源；倘若在瞬时状态较多的场景，可以选刚才上一节解析的LDO稳压器。
在楼宇自动化场景，典型的使用是Ip摄像机也可能用到DC/DC，用来对影像进行解决。电流负载较大的场景会供应较高效率的DC/DC。
消费类的产品的待机时间也非常紧要，大家都不喜欢一个耳机今天充完电，几个星期以后拿出来电已耗尽。因此在消费类产品中，低功耗也是非常流行的。
TI也为此款DC/DC做了参考设计，特别是对锂二氧化锰电池做了优化。TI在设计芯片时对各种电池，尤其是有目标电池进行了目标性的使用，倘若客户要的话，可以到官网上拿到参考设计。
2.3监控器TpS3840：高输入电压、高效率
通常监控器在大部分时间不工作，要它工作的次数可能很少，因为它是复位的芯片，在系统异常的时候才会发出复位的信号。由于这类产品99.99%的时间处于睡眠状态，因此也要非常低的自耗电。不过在监控过程中，里面配置的比较器或参考电压会对过压和低压做保护，会对系统做复位，这也解释了为甚么这种自耗电是系统必备的。
监控器TpS3840是适用于纳米级供电设计的一系列高输入电压、高效监控器。
该芯片的紧要特性是它可以在10V操作，外部加2个分压可以做到20V的耐压，是350nA的自耗电（注：所以它在大部分场景耗电是非常低的），而且精度高，能做到1%，例如监控4V的系统，1%就是4mV，是非常高精度的。
在一些特别场景中，客户有时会用多个监控芯片。因为该监控芯片可以做启动的用途，特别是开关继续启动，例如可以用这个芯片去监控电源，当电源达到一定电压时，会对LDO做复位或者Enable。
在使用上，可以对电网做监控。而且在电网里是要很多监控芯片，倘若能把每个监控芯片的静态电流都降低，省电量是非常可观的。
另外也可以使用在楼宇自动化设备，因为它们大部分时间也都是待机状态。
特别地是EpOS（电子销售终端）。EpOS为甚么要用复位芯片？在刷卡或刷二维码时，EpOS会与中央系统进行通讯，认证终端客户的身份。倘若系统在中间出现异常，交易便会取消。因此复位芯片是非常紧要的，因为它可以监控系统异常，进行复位，取消相关交易，使金融交易在比较稳定的环境里进行。
此外，低静态电流会对可穿戴产品有优化的效果。
2.4开关充电器BQ25619：截止电流20mA
前三节过的产品都是nA级的，使有些产品本来要大电池，今朝可用小电池或一次性电池。
但是有些设备一定要充电，因此要高效、高精度的充电器。为此，TI推出了BQ25619，堪称业界极低截止电流的开关充电器。
业界的一个趋势是电池的容量越来越大，例如往日一般手机是2A的电池，今朝已经涨到3A；自2018年以来出现了一个反转，即在同样待机时间里，把电池做得更小、更便宜。小电池又出现另外一个问题——截止电流，例如往日1A电池的截止电流是10%，即做100mA就够了；今朝倘若把电池做得很小，做到200mA，截止电流也要非常小，否则倘若还是100mA，电池就充不饱了。
为此，TI祭出了低截止电流产品BQ25619，截止电流惟有20mA。这时再充一块200mA的电池，充到10%的截止电流即20mA，这样电池还是充到相同的饱，延长了小电池的充电周期。此外，据TI估算，对一个电池充到20mA时，可新增7%的电池电量，这样可以多出7%的使用时间。
不仅如此，新一代的BQ25619充电器带三合一功能。不仅充电；而且在充电过程中，还可以对电池进行过压过流的保护；第三，业界很多TWS耳机有电池对电池充电的功能，这个电池放在小盒子里，对外部的耳机做充电，因此，该芯片还带升压功能，把电池例如从3.8V升到5V，来对耳机充电，好处是本来你可能要一个充电IC+升压IC，当把它们集成在一起后，可以共用一个电感，节省了pCB（印制板）空间和成本。
在小型产品的使用场景里，由于电池极小，因此自耗电至关紧要。往日的电子产品上常有胶贴，把电池与系统隔离开，当拆包使用时，再把这个胶贴拿走。但是倘若做到电子系统的自耗电低，就可以做成电子胶贴。TI新的BQ25619已经做到6mA级，可以延长待机时间，可使设备经历数月的长途运输和线下储存，终端客户拿到产品以后，只要按一个按钮就可以启动。
另外的使用案例是运输资产追踪场景中，充电器会延长使用的时间。
BQ25619是开关电源的充电器。实际上，TI也有相对应的线性充电器产品。这些充电器适合更小的电池，例如耳机的电池，也同样适合长途运输模式，可以达到更低的400nA。因为它是线性的，而且对系统做了一些整合，带了整合的LDO与ADC做数据采样，因此对资产追踪是非常适合的，因为可以用ADC采集温度，用LDO为MCU供电。
3热门问答
问：LDO产品TpS7A02的静态电流为甚么能降低近40倍？
王世斌：紧要是从工艺和电路方面改进。
例如LDO，TI采用了最先进的工艺对静态电流进行优化。另外在电路上进行创新，在LDO里重点有两方面，一是如何把参考电压做得更准更低。二是一般有个回路，是放大器，这个放大器在工作条件下怎么做到非常低，同时还要确保应和时间非常快，不然瞬态电流会不好。
问:为甚么能把开关稳压器TpS62840的静态电流做低？
王世斌：pMW要做得很低，或DCS的控制频率开关要做得好。
所以在电路设计方面有两个方面，基础的电路做得好是首要的；其次，个别产品有个别电路要做得更低，要一个个模块细化去分解哪一个模块耗电较高，为每个模块做一个优化。
问：电池管理组有六大产品线，另外两个产品线也要低静态电流吗？
王世斌：高压的技术相对来说是不相同的，高压也是要AC/DC，因为它在墙上，它可能关注的不是静态电流，是高效率的轻载模式、待机。
另外电源开关也有些相关的低静态电流产品，只是今天没有新品解析，毕竟开关也是很基础的器件。
问：BQ25619在使用的时候，要和此次解析的其他芯片配套吗？
王世斌：不要。有时候它们是配套使用的，因为它们有一个互补的关系。为甚么呢？一般线性充电电池比较小；开关电源因为充电电流比较大，要效率，所以一般是在大电池的时候用开关电源。即一般0.5~1A以下用线性充电，1A以上用开关电源充电。
还有一些特殊场景，例如业界有些快充的产品，可能用200mA的电池快充，2C充电，半小时要充完，这时可能要0.4A的充电电流，加上微型化的时候会比较烫，客户在这种场景下会选择开关电源充电，使它的效率提升。毕竟LDO充电效率物理上没那么好。
问：静态电流今朝到25nA了，是否再往下做很困难了？
王世斌：可能是非常困难的。不过，就算能做到更低，对有些场景已经没什么好处，要其他业界配合。例如今天你用这个产品做一个一次性电池，自耗电比25nA更高，我用这个产品就足够了——因为假设比25nA更低，对系统也没有哪些帮助。
未来我们会发现一些新的电池，它的自耗电更低，我们就可以把这个做得更低了，就有好处了。
所以今天来说，25nA还是非常有竞争力的，在系统设计上面，倘若用上这些产品的话，他们不要再考虑静态电流对其系统的影响。
问：要怎么样提高无线耳机的待机时间？
王世斌：无线耳机用的时间比较短，本身有几个问题：一个是电池比较小，物理上就局限了用电时间。要优化它有几个方面。首先，耳机的耗电要低，这个看起来是比较困难的，因为今朝耳机刚起步，功能上都在优化，所以耗电较大。另外要把小的电池充得饱，一般耳机电池是30~50µA，我们要把这个电池充得饱，就要把截止电流做得低才能充得饱，刚才解析的线性充电器的截止电流可以做到1mA，你用30mA的电池充到截止电流1mA，就可以充得饱饱的，倘若用30mA，用一个一般的线性充电器，可能截止电流在5mA，可能只充到90%饱，损耗了10%的用户时间。对这种产品来说，截止电流非常紧要。再有，截止电流精确度是非常紧要的，我跟你说1mA的截止电流，可是精确度是±5mA，那它的用户体验是不一致的；但是倘若做到±1mA，用户体验就非常一致了，每次都充得足够饱。
问：此次新的LDO产品从2018年到2019年就有25倍的提升，新的开关稳压器却从2014年到2019年，历时5年多。为甚么后者的创新时间会很长？
王世斌：紧要是电路方面的差别：开关电路里涉及到的模块比较多，研发时间要比较长；相比之下，LDO模块比较少。另外是客户的需求。
问：2022年和2023年的规划？
王世斌：可能每两三年都要做一个更新换代，下次可能跟大家解析的这个是更低，也可能它的应和时间更快。我们还是要看终端客户的反馈，再去做一个优化。因为一个产品也不能只单看静态电流，例如EMI的噪音或者是效率等。像2018年，TI曾向我国的媒体公布了高效率的产品，此次解析低功耗的产品，未来会带来更多不同的、处理不同客户问题的新的产品。
问：这四种产品的尺寸小，紧要是封装技术的改进，还是裸片的面积减小了？
王世斌：紧要是综合考虑，一般这种芯片的研发都是从封装、工艺跟电路上面去做一个综合的考虑。
制程方面，今朝基本上采取12英寸的晶圆厂。
问：你讲的这四种产品，一个系统里理想的是这四种都有，有监控、有电池保护、有升压和降压。为甚么不把它们集成起来？
王世斌：比如今天我把这四种产品聚集，对某一个客户可能是非常好的，但对另外一个要2个LDO的客户就不适宜了。可能有些客户只是在LDO和开关电源里选择一个对系统进行供电，那可能客户就多买了器件的功能。关于TI来说，集成的也有，非集成的也有。
问：今朝有很多MCU、SoC也集成了这些功能，和你们用分立器件相比，哪一个更好？
王世斌：要看使用场景。有些产品，比如手表，有些集成，有些不集成。有些非集成的性能更好。另外很多客户产品是要做产品差异化的，不能大家都用同一个模块，它可能在这个模块上再加其他单独的功能，它要突出差异化。这种时候它可能集成起来不那么方便，因为性能达不到它要的效果。
例如，有些手表用的是友商的MCU，可能想用TI的LDO，因为该手表的卖点是低功耗；或者这种手表本身集成芯片没有心跳监控器的，手表要加心跳监控器，这个心跳监控器就要耗电了，那么它可能就要LDO或DC/DC供电。
问：你们分类很细，有做电池保护，你是做电池管理？
王世斌：我们大的组是电池管理，我下面这个产品线是电池充电组，还有电池电量计组和电池保护组。
问：您服务了这么多范畴，认为哪一范畴上升最快？
王世斌：传统TI都是做消费类，今朝TI是三大范畴都做，汽车、工业、消费类，未来是汽车和工业都会有一个比较快的上升。我们从这三类产品来说，倘若工业和消费类对低IQ产品需求都比较大的，可穿戴产品要低IQ，很多工业类产品，一些IoT的产品很多时候都是监控待机。所以，我们从整个市场方向来说这几个市场都要低IQ做研发规划。
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