解密低靜態(tài)電流（low Iq）：如何使用WEBENCH為超低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)近100%的占空比

許多電池供電的應(yīng)用需要降壓轉(zhuǎn)換器才能在100%占空比條件下工作，其中V_IN接近V_OUT，以便在電池電壓達(dá)到最低值時(shí)延長電池續(xù)航時(shí)間。

例如，假設(shè)有兩節(jié)鋰-二氧化錳（Li-MnO₂）電池為智能電表供電。Li-MnO₂電池是一次性非充電電池，由于使用壽命較長（長達(dá)20年），再加上比鋰亞硫酰氯電池更具成本效益，其在智能電表或水表中的應(yīng)用日益廣泛。

圖1所示為兩個(gè)串聯(lián)（2s1p）的Li-MnO₂電池的系統(tǒng)配置，然后逐步降壓為微控制器供電。

圖1：智能電表電源架構(gòu)

超低靜態(tài)電流（I_Q）DC/DC轉(zhuǎn)換器可幫助您設(shè)計(jì)電池壽命長達(dá)20年的應(yīng)用。智能電表應(yīng)用的負(fù)載曲線并非連續(xù)負(fù)載，而是可變負(fù)載曲線。為了延長電池壽命，系統(tǒng)僅會偶爾消耗高電流（發(fā)送無線信號或啟動(dòng)閥門），然后再回到極低負(fù)載狀態(tài)。此類負(fù)載曲線能夠在微安培范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低平均電流消耗。在這種輕負(fù)載下的高效率需要超低靜態(tài)電流I_Q，尤其是在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)。關(guān)斷時(shí)間內(nèi)的電流消耗可能遠(yuǎn)低于平均電流消耗。

德州儀器的 TPS62840 超低功耗降壓轉(zhuǎn)換器的工作I_Q僅為60 nA，可以調(diào)節(jié)3.3-V電源軌。TPS62840在100%模式下具有極低的靜態(tài)電流I_Q - 150 nA，進(jìn)一步延長了電池續(xù)航時(shí)間。

為了更好地幫您設(shè)計(jì)和模擬超低電源電路，WEBENCH Power Designer 這款在線工具可根據(jù)您的規(guī)格創(chuàng)建定制電源設(shè)計(jì)。

在我們的示例中，每節(jié)電池的平均電壓約為3.0 V。新電池的初始電壓約為3.2 V，完全放電后電壓可降至2 V以下。假設(shè)每節(jié)電池放電降至1.8 V且新電池的電壓為3.2 V時(shí)，請將這些參數(shù)輸入WEBENCH Power Designer（圖2）。

圖2：在WEBENCH Power Designer中輸入的設(shè)計(jì)規(guī)范

在WEBENCH^?PowerDesigner搜索工具中使用3.6 V最小輸入電壓可產(chǎn)生51種可能的器件，但TPS62840并非其中一種。  這是為什么？

WEBENCH專注于兩個(gè)初始參數(shù)，以幫您找到適合您系統(tǒng)的最佳器件：

1.    V_INMIN > V_OUT是WEBENCH Power Designer在降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的用戶輸入中尋找的首檢參數(shù)。如果V_INMIN > V_OUT，那么WEBENCH Power Designer會選擇降壓轉(zhuǎn)換器作為解決方案列表的一部分。如果V_INMIN ≤ V_OUT，WEBENCH Power Designer會建議使用降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)您的V_OUT，而非使用100％占空比模式下工作的降壓轉(zhuǎn)換器。這是因?yàn)閃EBENCH希望為您提供一個(gè)解決方案，即使V_INMIN ≤ V_OUT，您的V_OUT也會受到調(diào)節(jié)。

2.    通過首檢后，復(fù)檢將驗(yàn)證計(jì)算的占空比是否大于降壓轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大占空比。對于可在100%占空比模式下工作的降壓轉(zhuǎn)換器，99.9%用作閾值。計(jì)算占空比時(shí)包括損耗。這增加了WEBENCH Power Designer中計(jì)算的占空比，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理想的V_OUT/V_IN。

選擇眾多器件后，WEBENCH Power Designer會為每個(gè)器件執(zhí)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

根據(jù)使用的輸入?yún)?shù)，可以觀察到以下三種不同結(jié)果：

·         TPS62840 WEBENCH Power Designer型號的V_IN為3.2 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V（圖3）。

圖3：輸入電壓過低時(shí)的故障消息

由于最小V_IN低于V_OUT，設(shè)計(jì)更新失敗。此設(shè)計(jì)未通過WEBENCH的首檢。

·         TPS62840 WEBENCH Power Designer型號的V_IN為3.6 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V（圖4）。

圖4：占空比過高時(shí)的故障消息

該設(shè)計(jì)不會更新，因?yàn)橛?jì)算時(shí)的占空比包括高側(cè)MOSFET RDSON和電感器DCR等損耗。此處，占空比值大于99.9%。此設(shè)計(jì)未通過WEBENCH的復(fù)檢。

·         在V_IN為3.7 V 到6.4 V、I_{OUT_MAX} = 0.75 A 和 V_OUT = 3.3 V的TPS62840 WEBENCH Power Designer上選擇設(shè)計(jì)界面（圖5）。

圖 5：WEBENCH Power Designer中顯示的TPS62840

最后一個(gè)示例顯示了TPS62840，因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)通過了兩次檢查。

如何在接近100%占空比時(shí)更有效地使用WEBENCH Power Designer：

·        輸入電壓和輸出電壓之間增加一個(gè)充足的delta，以減少占空比。

·        降低輸出電流，以減少損耗并減少占空比。

這兩種解決方案都能使WEBENCH Power Designer使用TPS62840進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，在100%下模式工作是正常的并且通常是可接受的，以便使電池完全放電。在100%模式下，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨著電池電壓的降低而降低。但這仍然適合大多數(shù)負(fù)載的系統(tǒng)規(guī)格。

其他資源

·    閱讀我們的技術(shù)文章，了解所有電源軌是否需要低靜態(tài)電流Iq。

·    考慮智能電表的TI設(shè)計(jì)。