电池寿命延长5倍、被称为“低电压芯片组件+超低消耗功率DC-DC转换器”的组合元件

日期:2017-02-14

作者:TOREX
 
现在已出现了把使用于可穿戴式设备、GPS/通信模块中的各种芯片组件的电芯电压降低到不到1V的新动向。这是因为通过抑制芯片中心的工作电压,可以大幅度地抑制消耗功率。在此介绍新登场的、能最大限度地发挥类似这种低电压芯片组件的“低消耗功率效果”的超低消耗功率型DC-DC转换器。
对于类似由电池驱动的可穿戴式设备、移动式仪器等设备;不搭载蓄电池的能量收集(环境发电)终端设备低消耗功率化的要求不断高涨。为了以有限的蓄电池容量和电气能量最大限度地确保工作时间,正在不断导入各种用于低消耗功率的技术。
 
延长电池寿命的电芯低电压动作
其中之一就是使搭载于电池驱动、及能量收集设备中的芯片组件电芯电压的低电压化。这是因为通过低电压化,能不伴随增大消耗功率而提高芯片组件的处理性能、具有虽然性能相同但抑制了消耗功率的优点。例如,对于电芯电压为1.8V的芯片组件,使其保持性能和电池容量不变,而只是更换成电芯电压0.7V的芯片组件,即可把电池寿命延长2.5倍。低电压动作针对妨碍可穿戴式终端等普及的原因之一“蓄电池持续时间短”,能带来极大的效果。
至今为止在可穿戴式设备中搭载的微机、在移动式仪器中搭载的GPS或Bluetooth模块的芯片组件的电芯电压,以1.1-1.8V电压动作的事例很多。近来,已出现了把这个电芯电压抑制在大约0.6-0.8V之间的动向。使电芯动作在1V以下的超低电压芯片组件正不断地出现于市场中。
 

图1:芯片组件动作电压的变迁(示意图)
 
精度是实现不到1V的重要课题
尽管在设备的低消耗功率方面超低电压动作芯片组件得到欢迎,但为了搭载到设备上,仍然存在着1个课题。这就是为了把大约3-4V的蓄电池电压转换成用于芯片组件的电压而需要提供的电源。而降低电芯电压、将要求电源具有更高的精度。
当然,对于超低电压动作芯片组件电源的要求不仅是高精度。还必须同时满足对可穿戴式设备、通信模块等电源普遍要求的“小型尺寸”、及“高效率”等必要条件。即使能以低电压提供高精度的电源,但如果电源自身消耗功率大、转换效率将比以前恶化、难得因使用了低电芯电压芯片组件带来的效果却将成为泡影。因此,期望着在以高精度提供低电压的同时,还具有小型、高效率的电源登场。
 
能同时满足高精度和超低消耗的DC-DC转换器XC9272

图2:对应于超低消耗低输出电压的降压同步整流PFM DC-DC转换器XC9272
 
在这种形势下,日本的电源IC专业厂商——特瑞仕半导体,最近把能对应于输出为0.6-0.95V的高效率降压同步整流DC-DC转换器XC9272形成了商品。这可谓是满足了小型、高效率、以高精度提供不到1V的低电压等所有必要条件的电源IC。
特瑞仕至今为止在行业中领先为可穿戴式设备、通信模块等持续不断地提供具有特别要求的、用于小型、高效率的电源IC。例如,2015年形成了产品的XC9265系列产品,是专为待机时间和轻负载动作时间长的可穿戴式设备而特别开发的电源IC,实现了自身消耗电流为0.5μA、只有至此为止的DC-DC转换器产品30分之1以下的超低消耗电流。即使在10μA的轻负载时也能保持超过了80%的能量转换效率。竟比在轻负载时效率优越的LDO调整器具有更高的效率。
XC9265能实现如此低消耗电流、高效率在于2个原因。采用作为电源IC专业厂商钻研积累的电路设计技术;及在DC-DC转换器中不是搭载通常的PWM(脉冲宽度调制)控制模式,而是只搭载在轻负载时转换效率比较良好的PFM(频率调制)控制模式,实现了低消耗电流、高效率。
 
保持消耗电流0.5μA、对应低电压输出
本次,作为用于不到1V低电芯电压动作芯片组件的产品XC9272,是以低消耗电流、高效率为自豪的XC9265作为基础而开发的。保持了消耗电流只有0.5μA,且有利于轻负载的2个特长的同时,与输出电压范围1.0-4.0V(以0.05V间隔)的XC9265相比,是能对应0.6-0.95V范围(以0.05V间隔)的产品。
对于XC9265实施了设计变更,把1V以上的输出电压为基础的IC内部的一部分电路对应于能在0.6V动作,使得能为最新的低电压动作芯片组件提供电源。而且还备有在输入电压 2.0V、输出电压0.7V输出电流0.1mA的轻负载时也能使效率超过80%的性能。
 

图3:表示XC9272效率的图形
 
作为不到1V的低电压输出而存在的课题在于精度需达到±20mV。而输出电压范围为0.6-0.95V的DC-DC转换器已具有足够的精度。
  但实际上,PFM控制模式通常存在着纹波电压增大的缺点。如果纹波电压增大将带来输出电压精度恶化的结果。在此,特瑞仕依靠独特的模拟电路技术,使得在推荐的零部件中可使用低ESR的陶瓷电容;此外,针对可穿戴式设备、移动式仪器、能量收集设备等应用目的,实施了产品规格最佳化;采用这2个对策把纹波电压抑制在最小限度。XC9265中输出电流50mA的产品,实现了50mV的纹波电压。本次XC9272在输出电流为50mA时、仍能确保承受实际应用的20mV纹波电压。
并且,XC9272采用了与XC9265相同的封装组件(SOT-25和1.8×2.0×0.4mm尺寸USP-6EL);提供了相同的引脚布局。
 
电池寿命达到了大约5
可以预见依靠小型、高效率、而且兼备了具有能以高精度提供不到1V的低电压特长的XC9272,将能大幅度延长可穿戴式设备及能量收集设备等蓄电池的寿命。
例如,把至此为止的电芯电压1.8V动作的芯片组件、与既往型号DC-DC转换器(消耗电流15μA程度)组成在一起构成系统时,在某种条件下*)的功率损耗为140μW。其内部分配也就在于动作时为40μW、休眠时为100μW。可见大部分功率损耗是起因于在整体中占有时间长的轻负载休眠时间。
因此,把本构成系统的芯片组件电芯工作电压从1.8V下降到0.7V时,功率损耗在动作时为17μW、休眠时为39μW,合计56μW,得到大幅度地消减。但是,休眠时的损耗仍然比动作时大,成为延长蓄电池寿命中的难关。
 

图4:既往产品及由电芯电压差异而带来的损耗比较结果,特瑞仕半导体提供
 
在此,把芯片组件的电芯工作电压设定在0.7V之后,应用到0.5μA的超低消耗电流的XC9272,可以在把能量损耗在工作时消减到17μW;在休眠时消减到12μW,总共能消减了29μW。与既往的DC-DC转换器相比,在动作时的损耗功率没有变化,而在休眠时的损耗功率大约降低到3分之1。这个数字可以充分说明XC9272即使在轻负载时也能得到高效率。
进而通过比较各个结构的电池驱动时间,可以导出更加明了的结果。
把动作于电芯电压1.8V的芯片组件与使用了既往型号的DC-DC转换器的系统的电池驱动时间设定为100时,通过把电芯电压降低到0.7V,可以延长到250。而且,当把电芯电压0.7V的芯片组件与XC9272组合在一起时,竟能达到494。因此,只要把XC9272和低电压芯片组件组合在一起使用,与现行的设备相比即使蓄电池容量相同,也能实现5倍的电池寿命。
 

图5:既往产品及因电芯电压差异对电池驱动时间的比较结果,特瑞仕半导体提供
 
即使是现在不能确保驱动时间为大约1.5日的智能手表,也将能达到在1星期中不进行充电而持续动作。作为普及可穿戴式设备的绊脚石电池寿命难题,也无疑可以由于低电压动作芯片组件和XC9272的登场而被解决。
 
*)输入电压3.6V、激活动作模式〔10mA负载10毫秒〕+休眠动作模式〔10μA负载5秒〕的动作条件
 
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