當今電子設計中最關鍵的挑戰(zhàn)之一是降低能耗。電源管理是許多設備的重要設計考慮因素，尤其是那些依賴電池運行的設備。因此，大多數(shù)系統(tǒng)使用各種電源管理操作模式。

待機、睡眠、省電、休眠和關機等功能對于設計人員降低功耗和延長電池壽命至關重要。在每種模式下，睡眠階段的電流很容易從幾 mA 變化到 nA。

可穿戴設備的出現(xiàn)使這項任務變得困難，部分原因是需要使用小電池來確保小因素。為適應更小、更輕和更強大的電子設備而使用更小電池的趨勢導致了一些妥協(xié)。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和所有連接的設備增加了這種需求，需要在很長一段時間和各種操作條件下的可靠操作模式。電池供電的系統(tǒng)需要仔細分區(qū)、緊湊的空間利用和有效使用可用電量。

這些設備的高效率首先在必要的待機階段長時間表現(xiàn)出來。在這些情況下，能耗由不同于關斷電流的靜態(tài)電流 （I Q ） 定義。它是電路在不控制任何負載時的工作狀態(tài)。靜態(tài)電流通常與淬滅電流混淆，淬滅電流是設備關閉時吸收的電流，但電池仍連接到系統(tǒng)。

為什么要超低靜態(tài)電流？

雖然有功電流消耗是延長電池壽命的重要因素，但電池本身的使用時間還取決于其他工作模式，特別是待機模式。待機階段的吸收電流 （I q ） 必須允許設備隨時喚醒以執(zhí)行來自微控制器的請求。

I q是電子系統(tǒng)待機功耗的主要指數(shù)，是電源管理電路中使用的現(xiàn)代低功率 DC/DC 轉換器的重要設計參數(shù)。I q 可以評估不同的因素，例如小負載的功耗。

電源管理通常由穩(wěn)壓器組成，例如增加或降低電壓的開關穩(wěn)壓器或具有低壓差 （LDO） 的穩(wěn)壓器。有些涉及更多架構，甚至可能涉及充電器。降低 I q會提高效率，因此會通過消耗更少的電池電量來延長電池壽命。

電源設計

電源管理電路包括多個 DC/DC 解決方案，用于為傳感器和微控制器 （MCU） 等設備的子組件供電。低功耗 MCU 會影響整個系統(tǒng)的能效。MCU 有不同的形狀、尺寸和架構，但對于連接的物聯(lián)網(wǎng)設備，32 位 ARM 微控制器是一個不錯的選擇。這些 MCU 得到了多家制造商的良好支持，并且相對容易開發(fā)強大且可移植的軟件。

生產(chǎn)電子元件的制造工藝也會影響能源效率。例如，先進的 CMOS 工藝有助于確保正確使用電池，同時減少消耗。設計人員需要通過高效的電源管理技術來平衡容量和尺寸。提高系統(tǒng)的能源效率是延長電池壽命的常用方法。

電源管理部分涉及使用電壓監(jiān)控器來確保整個電力系統(tǒng)正常工作。如果電壓中斷，監(jiān)控解決方案必須發(fā)出錯誤信號，以便系統(tǒng)的其余部分可以正確關閉。快速啟動延遲允許在系統(tǒng)的其余部分啟動之前檢測到電壓故障，從而在危險條件下提供最大的安全性。德州儀器 （TI） 具有手動復位和可編程復位時間延遲的TPS3840 Nanopower 高輸入電壓監(jiān)控器提供了這種高精度的解決方案（圖 1）。

圖 1：TPS3840 的功能框圖。

隨著移動設備產(chǎn)品組合的逐年增長，鋰離子電池需要通過專門的充電周期特別小心，以最大限度地延長電池壽命。可穿戴設備的電池充電具有挑戰(zhàn)性，因為電池必須體積小、容量大。

TI還提供 BQ25619，這是一款支持 20 mA 終止電流的新型開關集成電池充電器 （IC）。它使電池容量提高 7%，并在運輸模式下將電池泄漏降低至 6%。該器件為更高效的醫(yī)療和個人電子應用（如助聽器）提供設計。

直流/直流解決方案

為應用選擇合適的電源管理設備與 DC/DC 解決方案的架構相關聯(lián)。選擇 DC/DC 解決方案時應考慮的因素包括靜態(tài)電流（越低的值總是代表理想的選擇）和效率（百分比越高，電池壽命越長）。理想情況是在 μA 水平上具有 》90% 的效率。另一個參數(shù)是即使在電池幾乎“沒電”的情況下也允許運行的輸入電壓范圍。

電源管理集成電路 （PMIC） 包括十幾個 LDO。LDO 還集成到微處理器、圖形處理單元 （GPU） 和許多其他片上系統(tǒng) （SoC） 中。穩(wěn)壓器的兩大類是線性穩(wěn)壓器 （LDO） 和開關穩(wěn)壓器。

由于開關電源在功率密度和整體效率方面具有優(yōu)勢，因此肯定會大量使用開關電源。但是，與開關穩(wěn)壓器相比，LDO 的輸出電壓噪聲低、尺寸小、成本低，因此被使用。通常在實現(xiàn)非常低的 I q和同時滿足其他關鍵參數(shù)（例如出色的動態(tài)性能、低輸出噪聲和高功率噪聲抑制）之間進行折衷。

TI 推出了一款超低功耗、低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器TPS7A02，它聲稱業(yè)界最低的 I q低于 25 nA，是競爭超小型器件的十分之一。新控制器使工程師至少可以將電池壽命延長一倍，并聲稱擁有一流的瞬態(tài)響應，可加快喚醒速度，提高應用響應時間和動態(tài)性能。

此外，小尺寸使設計人員能夠減小最終產(chǎn)品的尺寸，使其成為所有可穿戴應用的成功選擇。

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TPS7A02 可以將解決方案尺寸縮小 70%，使工程師能夠在空間受限的應用中為他們的設計添加更多功能，或者通過使用更小的電路板來降低系統(tǒng)成本。

TPS7A02 用于低功耗應用，例如電網(wǎng)基礎設施、樓宇自動化和醫(yī)療設備（圖 2）。通過在無線可視門鈴和安全攝像頭設計中使用該設備，工程師可以實現(xiàn) 24 個月或更長時間的電池壽命（高達行業(yè)標準的四倍）。

“隨著消費者希望減少充電或更換電池的頻率，對能夠延長電池壽命、更高效率和更小尺寸的電子產(chǎn)品的需求越來越大。低靜態(tài)電流在幫助工程師應對所有這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著關鍵作用，”德州儀器 （TI） 副總裁 Mike Beckman 說。“這就是為什么德州儀器繼續(xù)專注于開發(fā)和提供創(chuàng)新的低Iq DC/DC 轉換器、LDO、電池管理系統(tǒng)和其他電源元件，以幫助工程師解決圍繞小型、低功耗、長壽命的設計挑戰(zhàn)工業(yè)和個人電子產(chǎn)品。”

圖 2：TPS7A02 的框圖。

TI 還提供TPS62840，這是一款超低功耗開關穩(wěn)壓器，工作 I Q為 60 nA。1.8 V 至 6.5 V的寬輸入電壓 （V IN ） 范圍支持各種電池化學成分和配置。它可用于許多電池供電、始終在線的工業(yè)和個人電子應用，包括窄帶物聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)基礎設施設備和可穿戴設備（圖 3）。

圖 3：TPS62840 評估板。

這兩款 IC 都在非常低的靜態(tài)電流下工作，提供了一種簡單的解決方案，有助于提高任何電池供電設備的電池壽命。靜態(tài)電流的顯著降低可能會使應用程序運行幾秒鐘、幾分鐘、幾小時甚至幾天。