集成開/關(guān)控制器如何提升系統(tǒng)能效

簡(jiǎn)介

在疫情影響下，高度依賴在線資源的混合辦公模式加速普及，電子系統(tǒng)成為了必不可少的工具。此外，聯(lián)合國提出2030可持續(xù)發(fā)展議程1，電子公司正持續(xù)實(shí)踐可持續(xù)發(fā)展工作，使得電子系統(tǒng)效率的重要性愈發(fā)凸顯。這要求我們，不僅在現(xiàn)場(chǎng)操作期間，更要在生產(chǎn)制造過程中，采取各種措施提升能效2。

利用開/關(guān)控制器促進(jìn)能效提升

高效利用資源對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要1。我們可以通過多種方式來有效利用資源。比較簡(jiǎn)單的方法是在不使用電子設(shè)備時(shí)將其關(guān)閉，以避免不必要的能源消耗。另一種有效方法是通過實(shí)施節(jié)能機(jī)制來實(shí)現(xiàn)高效可靠的設(shè)計(jì)。

開/關(guān)控制器，尤其是那些可以用作電池保鮮密封件的控制器，是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的有力助手。在電路不使用時(shí)，這種控制器會(huì)斷開整個(gè)電路與電池的連接，有助于延長(zhǎng)電池壽命并節(jié)約能源3。這不僅可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期，還能盡可能降低待機(jī)功耗，減少不必要的電池放電，從而減少能源浪費(fèi)。

以下內(nèi)容將介紹此類控制器如何通過工作模式、集成特性和穩(wěn)健性來幫助節(jié)約能源。

通過待機(jī)模式和休眠模式減少能源浪費(fèi)

消費(fèi)類電子設(shè)備經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是，現(xiàn)成產(chǎn)品常常電池電量不足，使用前需充電或更換電池。這表明能源使用效率低下，同時(shí)用戶體驗(yàn)也會(huì)大打折扣。

為解決這個(gè)問題，高效的電池供電設(shè)備會(huì)采用低功率損耗電路或使用電池保鮮密封件。電池保鮮密封是開/關(guān)控制器的功能，可以通過斷開電池與下游電路的連接來防止電池放電，而在收到電路使能信號(hào)（例如來自按鈕的信號(hào)）后進(jìn)行連接，如圖1所示3, 4。這種電路工作模式通常稱為運(yùn)輸模式或待機(jī)模式，其中后者更加通用，而前者專門用于描述產(chǎn)品首次使用前的狀態(tài)。

然而，即便使用電池保鮮密封件，電池還是會(huì)慢慢耗盡電量，導(dǎo)致系統(tǒng)效率受影響。耗電的程度取決于電路的待機(jī)能耗。能耗較低的器件有助于解決這個(gè)問題。例如新型MAX16169等帶有電池保鮮密封件的按鈕控制器，這些器件的待機(jī)電流額定值僅為幾納安，如圖1所示。

圖1 GPS追蹤器系統(tǒng)中的電池保鮮密封件

按下按鈕后，電池就會(huì)連接到負(fù)載。以圖1為例，電池將連接到微控制器(MCU)、安全數(shù)字(SD)模塊和全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊。此外，MAX16163/MAX16164中的休眠模式也有助于進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。這些器件會(huì)周期性地在特定時(shí)間打開和關(guān)閉系統(tǒng)，定期喚醒系統(tǒng)中的器件，待其完成任務(wù)后，再次進(jìn)入休眠模式。對(duì)于設(shè)備間歇運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等無線監(jiān)控應(yīng)用，此特性非常實(shí)用5，可以通過降低待機(jī)期間的功耗，提高整體效率。圖2顯示了休眠模式 (即SLEEP_TIMER狀態(tài))下如何降低功耗；當(dāng)電池連接到系統(tǒng)時(shí)(如圖1所示)，則會(huì)出現(xiàn)ACTIVE_STATE。

圖2 休眠模式電流消耗

通過集成解決方案實(shí)現(xiàn)無形化

PCB制造的最佳實(shí)踐包括負(fù)責(zé)任的資源管理6。這包括采取無形化措施，即在電源中使用更少、更小、更輕的電子器件2。為此，我們可以選擇單個(gè)封裝中包含多個(gè)功能的器件，從而減少所需PCB的尺寸，進(jìn)而降低最終產(chǎn)品制造的能源消耗。例如，圖3中MAX16150和MAX16169整合了負(fù)載開關(guān)和按鈕去抖功能，而MAX16163/MAX16164還增加了時(shí)序功能。請(qǐng)注意，MAX16150和MAX16169的方框圖非常相似。

此外，傳統(tǒng)方法通常使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘、負(fù)載開關(guān)和按鈕控制器來實(shí)現(xiàn)，圖4的集成解決方案將對(duì)此加以改進(jìn)。MAX16163/MAX16164集成解決方案不僅能夠?qū)⒔鉀Q方案尺寸縮小60%，而且在保持相同功能的前提下，還能將電池壽命延長(zhǎng)20%5。

借助高ESD額定值器件提升系統(tǒng)級(jí)穩(wěn)健性

在集成電路中加入靜電放電(ESD)保護(hù)電路，對(duì)于確保電路在惡劣環(huán)境下的可靠性至關(guān)重要。這些電路需要連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，因此需要足夠的保護(hù)來抵御外部浪涌7。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過ESD測(cè)試方法來評(píng)估產(chǎn)品的抗靜電性能，例如人體模型(HBM)方法用于器件級(jí)ESD測(cè)試，而IEC 61000-4-2模型用于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試8。

器件級(jí)ESD測(cè)試旨在確保IC在制造過程中不會(huì)受到靜電放電的損壞。HBM模擬帶電人體接觸IC的場(chǎng)景，將具有潛在破壞力的ESD通過IC釋放到地面。系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試旨在確保器件能夠在各種實(shí)際應(yīng)用中的工作條件下承受瞬態(tài)事件，包括防雷。為了滿足此要求，發(fā)布的產(chǎn)品必須按照IEC 61000-4-2 ESD標(biāo)準(zhǔn)模擬實(shí)際瞬態(tài)條件，進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。雖然HBM和IEC 61000-4-2 ESD測(cè)試方法均模擬帶電人體放電至電子系統(tǒng)的場(chǎng)景，但I(xiàn)EC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)在許多方面與器件級(jí)ESD有所不同8。

表1 HBM和IEC 61000-4-2 ESD測(cè)試方法的峰值電流比較

表1顯示，HBM測(cè)試中的峰值電流是IEC 61000-4-2測(cè)試中的脈沖電流的1/5.6。在沖擊次數(shù)方面，器件級(jí)HBM測(cè)試僅需要一次正沖擊和一次負(fù)沖擊，而系統(tǒng)級(jí)IEC 61000-4-2要求IC至少經(jīng)過10次正沖擊和10次負(fù)沖擊才能通過8。這意味著為了達(dá)到相應(yīng)的IEC 61000-4-2額定值，系統(tǒng)工程師應(yīng)該考慮使用HBM額定值高得多的器件。例如，HBM ESD額定值為+15 kV的系統(tǒng)（如MAX16150）可能滿足±2 kV的IEC 61000-4-2額定值要求。類似地，具有+40 kV HBM ESD額定值的器件（如MAX16163/MAX16164和新型MAX16169）可幫助實(shí)現(xiàn)±6 kV IEC 61000-4-2合規(guī)性。

圖3 MAX16169和MAX16163/MAX16164方框圖

圖4 分立解決方案與采用MAX16163/MAX16164的集成解決方案⁵

ESD額定值越高，表示器件對(duì)惡劣環(huán)境的耐受力越強(qiáng)。這不僅能有效減少現(xiàn)場(chǎng)操作中斷，提升系統(tǒng)的可靠性，而且能降低故障的可能性，從而減少頻繁更換產(chǎn)品的成本。ADI公司的開/關(guān)控制器和電池保鮮密封件在所有引腳上均采用ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，以便在搬運(yùn)和組裝過程中防止靜電放電。此外，開關(guān)輸入處還設(shè)計(jì)了一重額外保護(hù)。這些密封件的高HBM ESD額定值有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

若要持續(xù)提升能源效率，就必須在從工廠生產(chǎn)到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的整個(gè)過程中，使用可以減少能源浪費(fèi)的器件。本文介紹了ADI公司的按鈕開/關(guān)控制器和電池保鮮密封產(chǎn)品如何通過待機(jī)模式和休眠模式幫助減少能源浪費(fèi)；如何通過集成功能節(jié)省生產(chǎn)能源、減小PCB尺寸；以及如何通過更高的ESD額定值提高現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)健性。

參考資料

1“變革我們的世界：2030年可持續(xù)發(fā)展議程”，聯(lián)合國。

2 Anthony Schiro和Stephen Oliver，“寬禁帶電源有望推動(dòng)全球電氣化進(jìn)程，為我們創(chuàng)造一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來”，《IEEE電力電子雜志》，第11卷，第1期，2024年3月。

3“電池保鮮與密封”，ADI公司，2020年7月。

4“監(jiān)控電路確保微處理器始終受控”，ADI公司，2022年4月。

5 Suryash Rai，“如何大幅提高物聯(lián)網(wǎng)器件的電池能效比”，ADI公司，2023年3月。

6“可持續(xù)消費(fèi)類電子設(shè)備設(shè)計(jì)：PCB材料和供應(yīng)鏈管理”，Cadence PCB Solutions。

7 Sang-Wook Kwon、Seung-Gu Jeong、Jeong-Min Lee和Yong-Seo Koo，“利用靜電放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)能夠抵御破壞且兼具可持續(xù)性的低壓差穩(wěn)壓器”，《Sustainability》（可持續(xù)發(fā)展），2023年6月。

8 Anindita Bhattacharya，“±2kV HBM ESD保護(hù)是否足以保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備？”Semtech，2023年6月。

作者簡(jiǎn)介

Bryan Angelo Borres是多市場(chǎng)Power-East事業(yè)部高性能電源監(jiān)控器組的電源應(yīng)用工程師。他擁有菲律賓瑪普阿大學(xué)電力電子研究生學(xué)位，目前正在攻讀電子工程碩士學(xué)位。Bryan在電力電子設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域擁有超過五年的工作經(jīng)驗(yàn)。

Noel Tenorio是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)多市場(chǎng)功率處理高性能電源監(jiān)控產(chǎn)品。他于2016年8月加入ADI公司。在加入ADI公司之前，他在一家開關(guān)模式電源研發(fā)公司作為設(shè)計(jì)工程師工作了六年。他擁有菲律賓八打雁國立大學(xué)電子與通信工程學(xué)士學(xué)位、電力電子專業(yè)電氣工程研究生學(xué)位，以及瑪普阿大學(xué)電子工程理學(xué)碩士學(xué)位。在負(fù)責(zé)電源監(jiān)控產(chǎn)品之前，他還在熱電冷卻器控制器產(chǎn)品的應(yīng)用支持領(lǐng)域擔(dān)任過重要職務(wù)。