轻载效率和低 Iq

大家好、欢迎参加有关轻负载效率和低 Iq 的电源设计小贴士培训。

我叫 Mohiuddin Shaikh、

是 Texas Instruments 开关稳压器的应用工程师。

本主题的主要议程是深入探讨直流/直流转换器

的效率、并了解恒定电流对直流/直流转换器效率

的影响、尤其是在现代低功率电子产品中。

虽然 IQ 经常被

忽视、但对于物联网变量和传感器等电池供电设备、

以及在超低功耗应用以及需要轻负载或待机模式的应用、

IQ 却是影响效率的主要因素。

因此、我首先介绍影响效率的损耗因素、

包括导通损耗、开关损耗、PFM 运行和恒定电流。

接着是低 Iq、三个 IQ 规格。

要了解为什么我们需要克服低 IQ、低 IQ 的障碍。

我们举一个名为 PCS 的拓扑示例。

什么是效率？ 效率就是输出

功率与输入功率之比。

输出功率可以写为输入功率减去功率损耗。

因此、较高的功率损耗会降低效率、反之亦然。

现在、我们深入探讨效率的四个损耗影响因素。

以 TPS 62827 的效率图为例、

它是一款工作电压为 5V VIN 和 1.2V Vo 的 4A 低压降压转换器。

虚线是指器件在省电模式下运行以保持高效率、

以及在极轻负载

下运行以延长系统电池运行时间。

实线是器件在强制

脉宽调制模式下运行时保持连续导通模式、

从而确保超低的输出电压

纹波和准固定开关频率。

突出显示了相对于负载电流的主要导通损耗。

首先是导通损耗、

它在高负载电流下占主导地位、然后是开关损耗。

并得出 PFM 运行模式下的损耗。

最后是器件的恒定电流、

这对于在极轻负载下提高效率至关重要。

我将逐一解释影响这些损耗的因素以及

如何尽量减少这些损耗。

首先是 PWM 运行模式、其中导通损耗和开关损耗占主导地位。

这就是降压转换器内部简单降压转换器的外观。

导通损耗是由电源开关的 DS 引起的。

第二是封装的连接和 Vs、第三是金属结构。

数据表中指定了这三个电阻、

两个电阻、三个电阻、如外部所示。

电感器的直流电阻

和外部走线电阻会导致导通损耗。

我将在下一张幻灯片中对此进行详细介绍。

最大限度地减小导通损耗。

高侧和低侧 FET 集成在降压转换器中。

因此、要降低 FET 导通损耗、请

选择导通剂量较低的降压转换器。

而在降压控制器中、我们可以自由选择 DS 较低的 MOSFET、

使用同步整流、这意味着使用低侧 FET 而非二极管。

这样可以消除正向压降损耗。

电感器导致的导通

损耗是平均电感器电流乘

以电感器直流电阻的平方。

因此、请选择直流电阻较低的电感器。

PCB 布局使用更宽的 PCB 布线来降低寄生电阻。

如果可能、优化占空比。

避免使用极端占空比值、例如您可以看到

占空比 20%或占空比 80%时的导通损耗是占空比 50%的 36 倍。

PWM 运行模式的第二个主要因素是开关损耗。

开关损耗与开关频率开关速度（上升时间和下降时间）

与栅极电荷（直接影响导通和关断

FET 所需的时间和能量）密切相关、

开关损耗是降压转换器中的主要效率杀手、

尤其是在高频和高输入电压下。

与导通损耗（取决于 I SQUARE R）不同、

开关损耗发生在 MOSFET 转换期间、

并与开关频率、输入电压和输出电流成正比。

我将在下一张幻灯片中对此进行详细介绍。

多个因素对开关损耗有影响。

让我们分解一下决定这些损耗的七个关键因素、

它们的相互作用以及它们对您的设计意味着什么。

开关频率损耗随开关频率呈线性变化。

使开关频率加倍。

两倍开关损耗。

这就是高频设计要求仔细考虑 MOSFET

和布局优化的原因输入电流较高的输入电流

会在转换期间增加 V 乘以 I OVERLAP。

例如、在相同的电流输出下、

24V 输入的开关损耗大约是 12V 系统的两倍。

电流输出电流直接影响转换损耗。

较高的电流会在开关期间延长电压乘以电流重叠的时间。

这在高功率应用中尤其重要。

MOSFET 开关速度。

较长的上升和下降时间会延长高损耗转换周期。

开关时间为 20 纳秒的 FET 产生的损耗将明显多于

转换纳秒时产生的损耗。

击穿风险。 债务过多。

迫使体二极管导通、引入反向恢复损耗。

出色的死区时间可以更大限度地减少这种情况、同时防止出现较短的门栅极驱动器强度。

较大的栅极驱动器会减慢转换速度、从而增加重叠损耗。

与 1A 驱动器相比、论坛驱动器可以将开关时间缩短一半、

从而显著降低损耗。

反向恢复。

每次二极管耗尽时、具有较高反向恢复电荷的 FET 都会浪费能量。

使用快速体二极管或 GaN FET 的充电同步书籍可以缓解这种情况。

如何降低开关损耗。

优化 MOSFET 选择。

选择具有低栅极电荷和快速开关输出的 FET。

电容损耗是经常被忽略的因素、

尤其是在高电压高频设计中。

来减轻它们的影响。 使用低 CMOS FET。

改进栅极驱动。 使用强大的栅极驱动器。

调整栅极驱动器电阻、以平衡速度与 EMI。

减少寄生效应。 尽可能减小 PCB 环路电感。

低 ESR。 应在 FET 附近使用 ESL 电容器。

优化的基础知识。

将死区时间设置为足以避免跨导。

如果可用、请使用自适应死区时间控制。

接下来是轻负载时的效率。

脉冲频率调制。

PFM 是一种用于提高轻负载效率的开关方法、

常用于许多直流 / 直流电压转换器。

PFM 模式在 Texas Instruments 数据表中也称为省电模式。

在省电模式下运行的转换器在轻负载电流下使用 PFM、

在重负载电流下使用 PWM。

这种类型的运行使转换器能够

在宽输出电流范围内保持高效率。

图中显示了两个比较 TPS 628304 在 PWM 和省

电模式下的效率的图表。

在 PFM 模式下、转换器仅

在输出电压低于标称输出电压时工作。

当发生这种情况时、转换器开始开关、

直到输出电压调节至介于标称输出电压

和设置的阈值上限之间的典型值。

在转换器断电期间、

所有不必要的内部电路均关闭、

以降低 ISOS 输入电流。

该控制方法显著降低了输入电流和开关损耗、

与转换器持续开关的 PWM 模式相比、

在较轻的负载下可实现更高的效率。

PFM 模式允许转换器在省电模式运行期间以短脉冲进行开关、

如图所示。

仅当输出电压降至

设定的下限阈值电压以下时、转换器才会工作、

并通过多个脉冲

逐渐升高至输出电压、直到输出电压超过设定的上限阈值电压、

转换器再次进入省电模式运行。

因此、这种省电模式运行的输出电压

纹波远高于固定频率运行的输出电压纹波、因此需要进行权衡。

增大输出电容可以在一定程度上将 Vo 降低。

最后、在微安器件负载电流范围内、低恒定

电流对于提高效率至关重要。

也许我们可以从测验开始。

什么是低 IQ？ 那么是选项 A、 选项 B、

选项

C 还是选项 D？

是的。 所有这些都是低 IQ。

IQ的最经典定义是集成电路

在空载和非开关但启用状态下消耗的电流。

有时我们可以将某些器件的关断电流作为系统 IQ 的一部分进行计数。

我将在下一张幻灯片中对此进行详细介绍。

要了解的三个 Iq 规格。

我将介绍与 Iq 相关的三种最常用的直流

/ 直流转换器数据表规格。

第一个是关断。

电流第二个是非开关 Iq、

第三个是首次关断时的开关 Iq。

当前谢登电流是在 IC 关断或禁用时测量的。

因此、您可能会认为非开关 Iq 应始终为零。

实际上、一些 IC 在该状态下会出现漏电流、

而其他 IC 实际上具有内部电路、即使在禁用 IC 时、

内部电路也会消耗少量电流以维持辅助控制功能。

例如、您的智能手表可能无法开箱即用

的原因与其每个 ICS 关断电流规格有关。

在商店货架上摆放产品时、

大多数直流/直流转换器都处于关断状态。

因此即使直流/直流转换器被禁用。

电池正在缓慢放电非开关 Iq。

非开关 Iq 是在开关脉冲

和无负载之间启用时从 IC 汲取的输入电流。

这一参数可以在大多数开关直流 / 直流转换器的数据表中找到、

因为它可以轻松地在生产环境中进行测试。

自动测试设备、

而非切换 IQ 提供不同 ICS

和不同 ICS 之间的苹果到苹果比较。

缺点会使其无法作为电池运行时间的最佳估算。

非开关 IQ 与消耗的电池电流不同、

许多 IC 同时从输入电压和输出电压消耗其 IC。

但是、由于输出电压

及其 IQ 最终来自输入端的电池、因此

需要进行额外的测量、

以便从输入源获得等效的 IQ。

您不能直接添加两个 IQ 电流来获得消耗的电池总电流。

例如、 TPS 61099 升压转换器从开始时消耗 400 纳安的 IQ、

从 IO 消耗 600

纳安的 IQ、 但空载输入电流消耗约为 1.3 微安、

而不是 1 微安。

开关 Iq、有许多不同的名称。

工作 IQ、待机电流睡眠模式电流、空载输入、

LDO 的电流和接地电流等。

它是 IC 在不提供任何

负载电流的情况下运行时测得的实际输入电流。

由于它是在实际情况下而不是在生产线上测量的、因此 IC

偶尔会切换以克服损耗。

该参数是空载条件下电池电流消耗的最佳估算值、

可在许多数据表中找到、

例如 TPS 62840 的 16 纳安开关 IQ、如图所示。

根据国际能源机构的数据、

网络连接设备消耗的能源中有 10%以上

来自待机电源。

虽然智能互联设备的数量正在快速增长、

但如今它们的增长仍因难以实现

足够的 ROI 而受到限制。

ROI 是什么意思？ 它是

活动模式下的节能与待机模式下的能耗之比。

它是决定智能自动化领域

设备采用率的关键指标。

智能门锁就是一个网络连接设备的典型例子。

无法接入电源线、并且由电池供电。

它必须能够连接低功耗无线信号、

例如智能手机中的 BLE。

由于大部分时间都处于待机模式、

因此其电池寿命受限于 MCU（无线电）、

电源管理块以及

电池自放电本身的 IQ。

经常出现的问题是、我们真正需要达到多低的低 IQ？

由于我们知道待机模式下的主要功耗瓶颈、

因此我们可以创建一个显示在顶部的简单模型。

在该图中、我们将比较 EIS

中的电池运行时间与电源

管理Iq的函数、其中 MCU 待机负载电流为 1 微安、

使用了 250 毫安时纽扣电池

和 285 纳安的自漏电流。

在这种特定情况

下、我们可以看到、

在电源管理 IC 低于 100纳 安后、收益会递减。

因此、从该模型中简单得出的结论是、

将电源管理 Iq 保持在电池总电流的十分

之一即可实现良好的平衡。

与 LDO 相比、直流/直流转换器也有了改进。

但假设我们的目标是降低系统成本、

并且仍然满足十年的运行时间要求。

使用相同的模型可以做些什么？

如果我们将 MCU 待机负载电流更改为合理的 250 纳安、

会出现一种有趣的情况。

我们能够减小电池容量和体积、

因此成本降低了约三分之二、并且仍然满足十年的运行时间要求。

这只有在电源管理的 IQ 可以调节到 25

纳安以下的条件下才是如此。

另一个有趣的观察结果是 LDO 和 DC/DC 的运行

时似乎收敛。

使用 LDO 可以去除大型电感器、减小电容值

和自漏电流。

该示例很重要、

因为它说明了只有在提供低于 60 纳安的 IQ 选项时、

才能优化成本运行时解决方案尺寸。

这将提高网络连接设备的 ROI。

您会问、为什么不是每个人都这样做？

很快的答案是很难、路上有很多障碍。

此毫微级 IQ 器件的一个主要问题是其能够

从空载条件快速唤醒至最大负载条件。

根本问题是、我们器件内的模块在较低的偏置

电流下会减慢速度。因此、瞬态骤降

I QFN 是纳米 IC 电源管理器件应用成功的最佳预测因素。

这些瞬态下调 IQ FOM 是我们逐年努力提高的标准。

针对大负载阶跃的更低 IQ、

更高的最大负载电流更小的电容和更小的电压骤降。

例如、 FOM 将暴露那些在较大的泄漏

输出电容器上关系过大的纳安级 IQ 器件以改善瞬态性能、

实现快速响应时间、快速唤醒比较器

和零 IQ 反馈控制、可在不影响低功耗

性能的情况下实现快速动态响应。

智能偏置方案、可在检测到错误时瞬时加速比较器。

在没有额外Iq的情况下提高速度。

例如、左图所

示为降压开关稳压器的瞬态响应。

TPS 62843。

典型值为 275 纳安时、 IQ 表明对 IQ I load 的响应

时间比前几代产品缩短了三倍以上。

此外、TPS 三七 Q1 具有

业内出色的响应和检测时间、通常为八微秒、

比业内其他替代产品至少快 2 到 10 倍。

低 Iq 的另一个缺点是裸片面积增加。

通过一个微安的低 IQ 电源管理器件后、仍能继续使用。

我们注意到、专用于

内部电阻的芯片面积有很多次显著、

但腹泻不是解决方案尺寸的限制因素。

包括器件封装和所需的外部无源器件。

让我们来看看直流/直流模块。

在 Z 方向堆叠电感

器和电容器有助于将总面积减小 20% 至 30%、

同时将总高度保持在一毫米以下。

但最终目标是降低外部无源器件的成本和面积。

在直流 DCS 中、输出纹波与轻负载效率之间的权衡

决定了电感器和电容器的尺寸和值。

因此、在比较不同的纳米

IC 直流 / 直流器件时、

务必评估轻负载输出电压纹波效率与解决方案面积之间的权衡。

但房间中真正的大象是存储元件的尺寸、

例如电容器和电池会减小电容器值。

而且泄漏非常严重、

因为它们在解决低 IQ 占空比系统的高脉冲能量要求

方面发挥着至关重要的作用。

它们还可以补偿低 IQ 电源管理响应速度较慢的问题。

虽然左图显示了电容器绝缘电阻对漏电流的影响、

但简单地减小电容器值是减少电容器

漏电流的有效旋钮之一。

此幻灯片上的提示是认识到纳安级 IQ

器件的一些常见测量缺陷、例如忽略电容泄漏或探头

和万用表泄漏。

但是、虽然电容器确实会泄漏、但

系统中的电池自放电要大得多、并且往往是一个更大的问题。

然后您可以问、为什么我们甚至需要电池？

需要电池的原因是、在能量密度和能量密度方面、

它们可以轻松击败电容器。

选择合适的化学物质时、

自放电电池电压、峰值脉冲电流

和成本是重要的权衡因素。

不同电池化学物质的自漏电率如下表所示。

锂 1L 氯化物等化学物质往往具有

较低的自放电能力、但峰值脉冲能量较差、因此通常会使用混合层电容器进行补充。

固态电池的新突破有望实现更高的能量

密度和快速充电。

这将使表面安装的电池具有电容器的尺寸、

以便长期存放在适当位置。

示例传感器锂亚硫酰氯是理想的,

但固态锂离子在未来的高性能需求中占主导地位。

综上所述、我已经讨论了顶级低 IQ 挑战、

瞬态响应染料封装、无源器件面积和成本以及存储、

自漏和脉冲高能量权衡。

在这里、我将展示 DCS 控制拓扑

的示例以及该拓扑中不同电路块的电源状态。

连续供电电路是反馈基准电压、称为 Vref、

误差放大器和反馈分压器电路。

使用 RTD 电路代替反馈分压器可以节省一些功率损耗。

例如、外部反馈分压器的阻抗限制为两兆欧。

因此、输出端电压为 2 伏会消耗 1 微安的电流。

由于噪声灵敏度、使用 RTD 电路无法实现更高的阻抗、

如右侧所示。

内部高阻抗分压器可以是 50 兆欧、

这会导致 40 纳安的电流流动、

远小于外部反馈分压器消耗的 1 微安电流。

偏置降低时激活电路。

电流是主比较器、

其 IQ 范围为几纳安到几微安、具体取决于输出、

电流和负载开关条件。

最后、低侧和高侧 FET 导通时导通的电路、

或电流限制保护电路省电模式检测、热关断、

栅极驱动器功率 MOSFET 和计时器。

因此、为了降低 Iq、

我们必须优化持续导通的电路和主比较器。

这里列出了 Texas Instruments 上最近发布的一些低 IQ 器件。

需要指出的几点是电池充电器集成电路（例如 BQ 25155）、

其在运输模式下的 IQ

为 10 纳安、这有助于确保电池即使

在货架上放置几个月或几年、也不会耗尽。

TPS Seven（零二）等低功耗稳压器

可提供 25 纳安的超低 IQ 和运输模式、IQ 为 3 纳安、

有助于显著延长电池在正常和压降运行中的寿命。

我们的六伏容限 LDO 降压转换器（

升压和降压 / 升压转换器）的 IQ 范围为 75 纳安至 25 纳安。

这比当今的大部分行业都要低。

电压较高的器件 IQ 高于低压器件的 IQ、

但仍然非常低。

今后有很多改进的机会。

总之、在不影响性能的情况下、

行业在降低 IQ 方面取得了长足的进步。

低 IQ、 低成本、

更好的性能和更小的解决方案面积将加速家庭、

楼宇和工业应用中采用更高的自动化水平。

我们必须在 IC 和封装级别以及电池

和电容器技术方面不断改进、从而

在不进行任何权衡的情况下实现更低的待机功耗。

大家好、欢迎参加有关轻负载效率和低 Iq 的电源设计小贴士培训。

我叫 Mohiuddin Shaikh、

是 Texas Instruments 开关稳压器的应用工程师。

本主题的主要议程是深入探讨直流/直流转换器

的效率、并了解恒定电流对直流/直流转换器效率

的影响、尤其是在现代低功率电子产品中。

虽然 IQ 经常被

忽视、但对于物联网变量和传感器等电池供电设备、

以及在超低功耗应用以及需要轻负载或待机模式的应用、

IQ 却是影响效率的主要因素。

因此、我首先介绍影响效率的损耗因素、

包括导通损耗、开关损耗、PFM 运行和恒定电流。

接着是低 Iq、三个 IQ 规格。

要了解为什么我们需要克服低 IQ、低 IQ 的障碍。

我们举一个名为 PCS 的拓扑示例。

什么是效率？ 效率就是输出

功率与输入功率之比。

输出功率可以写为输入功率减去功率损耗。

因此、较高的功率损耗会降低效率、反之亦然。

现在、我们深入探讨效率的四个损耗影响因素。

以 TPS 62827 的效率图为例、

它是一款工作电压为 5V VIN 和 1.2V Vo 的 4A 低压降压转换器。

虚线是指器件在省电模式下运行以保持高效率、

以及在极轻负载

下运行以延长系统电池运行时间。

实线是器件在强制

脉宽调制模式下运行时保持连续导通模式、

从而确保超低的输出电压

纹波和准固定开关频率。

突出显示了相对于负载电流的主要导通损耗。

首先是导通损耗、

它在高负载电流下占主导地位、然后是开关损耗。

并得出 PFM 运行模式下的损耗。

最后是器件的恒定电流、

这对于在极轻负载下提高效率至关重要。

我将逐一解释影响这些损耗的因素以及

如何尽量减少这些损耗。

首先是 PWM 运行模式、其中导通损耗和开关损耗占主导地位。

这就是降压转换器内部简单降压转换器的外观。

导通损耗是由电源开关的 DS 引起的。

第二是封装的连接和 Vs、第三是金属结构。

数据表中指定了这三个电阻、

两个电阻、三个电阻、如外部所示。

电感器的直流电阻

和外部走线电阻会导致导通损耗。

我将在下一张幻灯片中对此进行详细介绍。

最大限度地减小导通损耗。

高侧和低侧 FET 集成在降压转换器中。

因此、要降低 FET 导通损耗、请

选择导通剂量较低的降压转换器。

而在降压控制器中、我们可以自由选择 DS 较低的 MOSFET、

使用同步整流、这意味着使用低侧 FET 而非二极管。

这样可以消除正向压降损耗。

电感器导致的导通

损耗是平均电感器电流乘

以电感器直流电阻的平方。

因此、请选择直流电阻较低的电感器。

PCB 布局使用更宽的 PCB 布线来降低寄生电阻。

如果可能、优化占空比。

避免使用极端占空比值、例如您可以看到

占空比 20%或占空比 80%时的导通损耗是占空比 50%的 36 倍。

PWM 运行模式的第二个主要因素是开关损耗。

开关损耗与开关频率开关速度（上升时间和下降时间）

与栅极电荷（直接影响导通和关断

FET 所需的时间和能量）密切相关、

开关损耗是降压转换器中的主要效率杀手、

尤其是在高频和高输入电压下。

与导通损耗（取决于 I SQUARE R）不同、

开关损耗发生在 MOSFET 转换期间、

并与开关频率、输入电压和输出电流成正比。

我将在下一张幻灯片中对此进行详细介绍。

多个因素对开关损耗有影响。

让我们分解一下决定这些损耗的七个关键因素、

它们的相互作用以及它们对您的设计意味着什么。

开关频率损耗随开关频率呈线性变化。

使开关频率加倍。

两倍开关损耗。

这就是高频设计要求仔细考虑 MOSFET

和布局优化的原因输入电流较高的输入电流

会在转换期间增加 V 乘以 I OVERLAP。

例如、在相同的电流输出下、

24V 输入的开关损耗大约是 12V 系统的两倍。

电流输出电流直接影响转换损耗。

较高的电流会在开关期间延长电压乘以电流重叠的时间。

这在高功率应用中尤其重要。

MOSFET 开关速度。

较长的上升和下降时间会延长高损耗转换周期。

开关时间为 20 纳秒的 FET 产生的损耗将明显多于

转换纳秒时产生的损耗。

击穿风险。 债务过多。

迫使体二极管导通、引入反向恢复损耗。

出色的死区时间可以更大限度地减少这种情况、同时防止出现较短的门栅极驱动器强度。

较大的栅极驱动器会减慢转换速度、从而增加重叠损耗。

与 1A 驱动器相比、论坛驱动器可以将开关时间缩短一半、

从而显著降低损耗。

反向恢复。

每次二极管耗尽时、具有较高反向恢复电荷的 FET 都会浪费能量。

使用快速体二极管或 GaN FET 的充电同步书籍可以缓解这种情况。

如何降低开关损耗。

优化 MOSFET 选择。

选择具有低栅极电荷和快速开关输出的 FET。

电容损耗是经常被忽略的因素、

尤其是在高电压高频设计中。

来减轻它们的影响。 使用低 CMOS FET。

改进栅极驱动。 使用强大的栅极驱动器。

调整栅极驱动器电阻、以平衡速度与 EMI。

减少寄生效应。 尽可能减小 PCB 环路电感。

低 ESR。 应在 FET 附近使用 ESL 电容器。

优化的基础知识。

将死区时间设置为足以避免跨导。

如果可用、请使用自适应死区时间控制。

接下来是轻负载时的效率。

脉冲频率调制。

PFM 是一种用于提高轻负载效率的开关方法、

常用于许多直流 / 直流电压转换器。

PFM 模式在 Texas Instruments 数据表中也称为省电模式。

在省电模式下运行的转换器在轻负载电流下使用 PFM、

在重负载电流下使用 PWM。

这种类型的运行使转换器能够

在宽输出电流范围内保持高效率。

图中显示了两个比较 TPS 628304 在 PWM 和省

电模式下的效率的图表。

在 PFM 模式下、转换器仅

在输出电压低于标称输出电压时工作。

当发生这种情况时、转换器开始开关、

直到输出电压调节至介于标称输出电压

和设置的阈值上限之间的典型值。

在转换器断电期间、

所有不必要的内部电路均关闭、

以降低 ISOS 输入电流。

该控制方法显著降低了输入电流和开关损耗、

与转换器持续开关的 PWM 模式相比、

在较轻的负载下可实现更高的效率。

PFM 模式允许转换器在省电模式运行期间以短脉冲进行开关、

如图所示。

仅当输出电压降至

设定的下限阈值电压以下时、转换器才会工作、

并通过多个脉冲

逐渐升高至输出电压、直到输出电压超过设定的上限阈值电压、

转换器再次进入省电模式运行。

因此、这种省电模式运行的输出电压

纹波远高于固定频率运行的输出电压纹波、因此需要进行权衡。

增大输出电容可以在一定程度上将 Vo 降低。

最后、在微安器件负载电流范围内、低恒定

电流对于提高效率至关重要。

也许我们可以从测验开始。

什么是低 IQ？ 那么是选项 A、 选项 B、

选项

C 还是选项 D？

是的。 所有这些都是低 IQ。

IQ的最经典定义是集成电路

在空载和非开关但启用状态下消耗的电流。

有时我们可以将某些器件的关断电流作为系统 IQ 的一部分进行计数。

我将在下一张幻灯片中对此进行详细介绍。

要了解的三个 Iq 规格。

我将介绍与 Iq 相关的三种最常用的直流

/ 直流转换器数据表规格。

第一个是关断。

电流第二个是非开关 Iq、

第三个是首次关断时的开关 Iq。

当前谢登电流是在 IC 关断或禁用时测量的。

因此、您可能会认为非开关 Iq 应始终为零。

实际上、一些 IC 在该状态下会出现漏电流、

而其他 IC 实际上具有内部电路、即使在禁用 IC 时、

内部电路也会消耗少量电流以维持辅助控制功能。

例如、您的智能手表可能无法开箱即用

的原因与其每个 ICS 关断电流规格有关。

在商店货架上摆放产品时、

大多数直流/直流转换器都处于关断状态。

因此即使直流/直流转换器被禁用。

电池正在缓慢放电非开关 Iq。

非开关 Iq 是在开关脉冲

和无负载之间启用时从 IC 汲取的输入电流。

这一参数可以在大多数开关直流 / 直流转换器的数据表中找到、

因为它可以轻松地在生产环境中进行测试。

自动测试设备、

而非切换 IQ 提供不同 ICS

和不同 ICS 之间的苹果到苹果比较。

缺点会使其无法作为电池运行时间的最佳估算。

非开关 IQ 与消耗的电池电流不同、

许多 IC 同时从输入电压和输出电压消耗其 IC。

但是、由于输出电压

及其 IQ 最终来自输入端的电池、因此

需要进行额外的测量、

以便从输入源获得等效的 IQ。

您不能直接添加两个 IQ 电流来获得消耗的电池总电流。

例如、 TPS 61099 升压转换器从开始时消耗 400 纳安的 IQ、

从 IO 消耗 600

纳安的 IQ、 但空载输入电流消耗约为 1.3 微安、

而不是 1 微安。

开关 Iq、有许多不同的名称。

工作 IQ、待机电流睡眠模式电流、空载输入、

LDO 的电流和接地电流等。

它是 IC 在不提供任何

负载电流的情况下运行时测得的实际输入电流。

由于它是在实际情况下而不是在生产线上测量的、因此 IC

偶尔会切换以克服损耗。

该参数是空载条件下电池电流消耗的最佳估算值、

可在许多数据表中找到、

例如 TPS 62840 的 16 纳安开关 IQ、如图所示。

根据国际能源机构的数据、

网络连接设备消耗的能源中有 10%以上

来自待机电源。

虽然智能互联设备的数量正在快速增长、

但如今它们的增长仍因难以实现

足够的 ROI 而受到限制。

ROI 是什么意思？ 它是

活动模式下的节能与待机模式下的能耗之比。

它是决定智能自动化领域

设备采用率的关键指标。

智能门锁就是一个网络连接设备的典型例子。

无法接入电源线、并且由电池供电。

它必须能够连接低功耗无线信号、

例如智能手机中的 BLE。

由于大部分时间都处于待机模式、

因此其电池寿命受限于 MCU（无线电）、

电源管理块以及

电池自放电本身的 IQ。

经常出现的问题是、我们真正需要达到多低的低 IQ？

由于我们知道待机模式下的主要功耗瓶颈、

因此我们可以创建一个显示在顶部的简单模型。

在该图中、我们将比较 EIS

中的电池运行时间与电源

管理Iq的函数、其中 MCU 待机负载电流为 1 微安、

使用了 250 毫安时纽扣电池

和 285 纳安的自漏电流。

在这种特定情况

下、我们可以看到、

在电源管理 IC 低于 100纳 安后、收益会递减。

因此、从该模型中简单得出的结论是、

将电源管理 Iq 保持在电池总电流的十分

之一即可实现良好的平衡。

与 LDO 相比、直流/直流转换器也有了改进。

但假设我们的目标是降低系统成本、

并且仍然满足十年的运行时间要求。

使用相同的模型可以做些什么？

如果我们将 MCU 待机负载电流更改为合理的 250 纳安、

会出现一种有趣的情况。

我们能够减小电池容量和体积、

因此成本降低了约三分之二、并且仍然满足十年的运行时间要求。

这只有在电源管理的 IQ 可以调节到 25

纳安以下的条件下才是如此。

另一个有趣的观察结果是 LDO 和 DC/DC 的运行

时似乎收敛。

使用 LDO 可以去除大型电感器、减小电容值

和自漏电流。

该示例很重要、

因为它说明了只有在提供低于 60 纳安的 IQ 选项时、

才能优化成本运行时解决方案尺寸。

这将提高网络连接设备的 ROI。

您会问、为什么不是每个人都这样做？

很快的答案是很难、路上有很多障碍。

此毫微级 IQ 器件的一个主要问题是其能够

从空载条件快速唤醒至最大负载条件。

根本问题是、我们器件内的模块在较低的偏置

电流下会减慢速度。因此、瞬态骤降

I QFN 是纳米 IC 电源管理器件应用成功的最佳预测因素。

这些瞬态下调 IQ FOM 是我们逐年努力提高的标准。

针对大负载阶跃的更低 IQ、

更高的最大负载电流更小的电容和更小的电压骤降。

例如、 FOM 将暴露那些在较大的泄漏

输出电容器上关系过大的纳安级 IQ 器件以改善瞬态性能、

实现快速响应时间、快速唤醒比较器

和零 IQ 反馈控制、可在不影响低功耗

性能的情况下实现快速动态响应。

智能偏置方案、可在检测到错误时瞬时加速比较器。

在没有额外Iq的情况下提高速度。

例如、左图所

示为降压开关稳压器的瞬态响应。

TPS 62843。

典型值为 275 纳安时、 IQ 表明对 IQ I load 的响应

时间比前几代产品缩短了三倍以上。

此外、TPS 三七 Q1 具有

业内出色的响应和检测时间、通常为八微秒、

比业内其他替代产品至少快 2 到 10 倍。

低 Iq 的另一个缺点是裸片面积增加。

通过一个微安的低 IQ 电源管理器件后、仍能继续使用。

我们注意到、专用于

内部电阻的芯片面积有很多次显著、

但腹泻不是解决方案尺寸的限制因素。

包括器件封装和所需的外部无源器件。

让我们来看看直流/直流模块。

在 Z 方向堆叠电感

器和电容器有助于将总面积减小 20% 至 30%、

同时将总高度保持在一毫米以下。

但最终目标是降低外部无源器件的成本和面积。

在直流 DCS 中、输出纹波与轻负载效率之间的权衡

决定了电感器和电容器的尺寸和值。

因此、在比较不同的纳米

IC 直流 / 直流器件时、

务必评估轻负载输出电压纹波效率与解决方案面积之间的权衡。

但房间中真正的大象是存储元件的尺寸、

例如电容器和电池会减小电容器值。

而且泄漏非常严重、

因为它们在解决低 IQ 占空比系统的高脉冲能量要求

方面发挥着至关重要的作用。

它们还可以补偿低 IQ 电源管理响应速度较慢的问题。

虽然左图显示了电容器绝缘电阻对漏电流的影响、

但简单地减小电容器值是减少电容器

漏电流的有效旋钮之一。

此幻灯片上的提示是认识到纳安级 IQ

器件的一些常见测量缺陷、例如忽略电容泄漏或探头

和万用表泄漏。

但是、虽然电容器确实会泄漏、但

系统中的电池自放电要大得多、并且往往是一个更大的问题。

然后您可以问、为什么我们甚至需要电池？

需要电池的原因是、在能量密度和能量密度方面、

它们可以轻松击败电容器。

选择合适的化学物质时、

自放电电池电压、峰值脉冲电流

和成本是重要的权衡因素。

不同电池化学物质的自漏电率如下表所示。

锂 1L 氯化物等化学物质往往具有

较低的自放电能力、但峰值脉冲能量较差、因此通常会使用混合层电容器进行补充。

固态电池的新突破有望实现更高的能量

密度和快速充电。

这将使表面安装的电池具有电容器的尺寸、

以便长期存放在适当位置。

示例传感器锂亚硫酰氯是理想的,

但固态锂离子在未来的高性能需求中占主导地位。

综上所述、我已经讨论了顶级低 IQ 挑战、

瞬态响应染料封装、无源器件面积和成本以及存储、

自漏和脉冲高能量权衡。

在这里、我将展示 DCS 控制拓扑

的示例以及该拓扑中不同电路块的电源状态。

连续供电电路是反馈基准电压、称为 Vref、

误差放大器和反馈分压器电路。

使用 RTD 电路代替反馈分压器可以节省一些功率损耗。

例如、外部反馈分压器的阻抗限制为两兆欧。

因此、输出端电压为 2 伏会消耗 1 微安的电流。

由于噪声灵敏度、使用 RTD 电路无法实现更高的阻抗、

如右侧所示。

内部高阻抗分压器可以是 50 兆欧、

这会导致 40 纳安的电流流动、

远小于外部反馈分压器消耗的 1 微安电流。

偏置降低时激活电路。

电流是主比较器、

其 IQ 范围为几纳安到几微安、具体取决于输出、

电流和负载开关条件。

最后、低侧和高侧 FET 导通时导通的电路、

或电流限制保护电路省电模式检测、热关断、

栅极驱动器功率 MOSFET 和计时器。

因此、为了降低 Iq、

我们必须优化持续导通的电路和主比较器。

这里列出了 Texas Instruments 上最近发布的一些低 IQ 器件。

需要指出的几点是电池充电器集成电路（例如 BQ 25155）、

其在运输模式下的 IQ

为 10 纳安、这有助于确保电池即使

在货架上放置几个月或几年、也不会耗尽。

TPS Seven（零二）等低功耗稳压器

可提供 25 纳安的超低 IQ 和运输模式、IQ 为 3 纳安、

有助于显著延长电池在正常和压降运行中的寿命。

我们的六伏容限 LDO 降压转换器（

升压和降压 / 升压转换器）的 IQ 范围为 75 纳安至 25 纳安。

这比当今的大部分行业都要低。

电压较高的器件 IQ 高于低压器件的 IQ、

但仍然非常低。

今后有很多改进的机会。

总之、在不影响性能的情况下、

行业在降低 IQ 方面取得了长足的进步。

低 IQ、 低成本、

更好的性能和更小的解决方案面积将加速家庭、

楼宇和工业应用中采用更高的自动化水平。

我们必须在 IC 和封装级别以及电池

和电容器技术方面不断改进、从而

在不进行任何权衡的情况下实现更低的待机功耗。