是什么促成了所有有關(guān)可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的趨勢與討論？測量體溫、輸送胰島素以及監(jiān)測心率的醫(yī)療貼片必須長時間、可靠地工作。此外，這些設(shè)備在供病人使用之前，一般在儲藏室及藥品柜中存放較長的時間。在使用時，醫(yī)生和用戶必須確信其設(shè)備的電池有效、狀態(tài)良好。同樣地，智能手表、耳塞式耳機(jī)和視頻游戲控制器必須能夠在兩次充電期間使用較長的時間(圖1)。誰會希望不停的充電或是設(shè)備在要使用時卻沒電了呢？假如在鐵人三項運動中還要中途停下來充電，這樣尷尬的畫面實在是無法想象。此外，電表、煤氣探測器和樓宇自動化系統(tǒng)等設(shè)備以及大量現(xiàn)場傳感器必須能夠在現(xiàn)場可靠工作，這些設(shè)備都傾向于在后臺持續(xù)工作，不會頻繁地進(jìn)行充電和維護(hù)。從醫(yī)療健康和生物檢測到可穿戴和環(huán)境檢測，幾乎所有的IoT設(shè)備都依賴于電池，電池必須能夠在各種條件下可靠地、長時間地工作。實際上，電池壽命的問題已經(jīng)遠(yuǎn)比我們想象的嚴(yán)峻。

一份市場全球行業(yè)分析調(diào)研公司(GlobalIndustryAnalysts,Inc)的報告顯示，受當(dāng)前新興無線網(wǎng)絡(luò)時代日益普及的移動需求的推動，全球便攜式電池供電產(chǎn)品市場規(guī)模到2020年將達(dá)到8654億美元。關(guān)于一個普通兩口之家，通常會用到30至60塊電池，而每款設(shè)備都擁有其獨特的能耗模式。

影響電池壽命的因素有什么？

在完成制造之后，許多IoT節(jié)點設(shè)備保持在關(guān)斷模式，通常存放在貨架上，直到被賣出并打開使用。這些設(shè)備在其壽命期內(nèi)的大部分時間處于待機(jī)模式，定期執(zhí)行某些動作或?qū)⑤敵鰝鬏斨猎贫恕ｊP(guān)于可穿戴健身監(jiān)測設(shè)備，用戶在訓(xùn)練時穿戴的時間跨度相對較短，尤其如此。鑒于此，就有必要探索改進(jìn)設(shè)備處于被動模式時的節(jié)電途徑。

系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)中央控制單元(例如微控制器)的工作、睡眠和休眠電流計算電池壽命。相關(guān)的傳感器和無線電也與微控制器一起協(xié)同工作。當(dāng)然，電源為系統(tǒng)中的所有功能電路供電，也至關(guān)重要。雖然工作耗流是延長電池壽命的重要因素，但工作時間最終受各種電源模式下所消耗的時間量的影響。假如休眠和深度休眠功能占據(jù)較多的時間，每個元件的待機(jī)電流就至關(guān)重要。這種情況下，電源的靜態(tài)電流是影響系統(tǒng)待機(jī)功耗的最大因素。例如，假設(shè)某個系統(tǒng)由40mAh、1.55V氧化銀紐扣電池供電，其使用期限為1年(圖2)。假如吸入電流為大約4µA，將該電流降低1微安即可將可穿戴設(shè)備的使用期限延長大約三個月。

圖2.到2020年，全球?qū)碛袃r值8654億美元的便攜式電池供電產(chǎn)品

靜態(tài)電流的影響不可低估

電源處于待機(jī)模式時，功耗由靜態(tài)電流(IQ)決定，后者是指電路的靜默狀態(tài)，此時不驅(qū)動任何負(fù)載，輸入不進(jìn)行切換。靜態(tài)電流雖然微不足道，但會實質(zhì)上影響系統(tǒng)在輕載條件下的功率傳輸效率。

有時候容易混淆靜態(tài)電流與關(guān)斷電流。靜態(tài)電流時，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，但隨時可喚醒并采取動作，這通常是用戶希望的設(shè)備狀態(tài)；另一方面，關(guān)斷電流時，是指設(shè)備處于休眠狀態(tài)。

設(shè)計者利用靜態(tài)電流評估電源在輕載時的功耗，利用關(guān)斷電流計算設(shè)備關(guān)斷且電池連接到調(diào)節(jié)器時的電池壽命。

為延長設(shè)備電池壽命，采用低功耗控制器、傳感器、無線電和高效電源進(jìn)行設(shè)計。高級節(jié)點CMOS制造工藝等設(shè)計技術(shù)也有助于降低產(chǎn)品的總體功耗，進(jìn)而有效延長電池壽命。有些設(shè)計者選擇使用升壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)電池電壓下降到較低電平時，可延長電池壽命。然而，假如選擇的轉(zhuǎn)換器不正確，這種方法實際上會造成靜態(tài)電流較高，電池電量消耗更快。

最終產(chǎn)品的規(guī)格是另一項重要注意事項。消費者，進(jìn)而設(shè)計者被迫選擇越來越小、越來越輕的產(chǎn)品。困難在于，設(shè)備的電池通常是設(shè)備電路板上最大、最重的組件。當(dāng)然，電池的尺寸越小其容量就越小這與較長電池壽命的需求是矛盾的。所以設(shè)計者必須綜合權(quán)衡電池容量和尺寸與有效電源管理技術(shù)之間的關(guān)系。提高系統(tǒng)電源效率是延長電池壽命的一種常見途徑。

密切關(guān)注升壓轉(zhuǎn)換器等電源調(diào)節(jié)器的靜態(tài)電流指標(biāo)意義重大該電流越低，電池壽命就越長。所以就要既能供應(yīng)較低靜態(tài)電流且尺寸規(guī)格比當(dāng)前市場上可用產(chǎn)品更小的技術(shù)，特別是關(guān)于現(xiàn)在的超小尺寸設(shè)計。在這種情況下，即使低至毫安級的電流也不足以影響電池壽命。當(dāng)今的可穿戴、移動及IoT設(shè)計要求低至納安級的電流。

選擇正確的升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器是輸出電壓高于源電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器?？v觀升壓轉(zhuǎn)換器市場，根據(jù)行業(yè)分析數(shù)據(jù)，VIN(5V)升壓電源管理電路上升最快。根據(jù)推動這種上升的IoT應(yīng)用的要求，設(shè)計者正在尋求能夠供應(yīng)較低電壓軌、較長電池壽命以及較小方法尺寸的升壓轉(zhuǎn)換器。

正確選擇能夠有效延長電池壽命的升壓轉(zhuǎn)換器，要嚴(yán)格注意一些關(guān)鍵條件，包括：

1.靜態(tài)電流：該電流越低，轉(zhuǎn)換器就越能延長系統(tǒng)待機(jī)模式下的電池壽命。

2.真關(guān)斷模式：關(guān)斷時將電流輸出與輸入阻塞，該功能可提高效率、延長最終產(chǎn)品使用期限。假如作為轉(zhuǎn)換器的集成功能，還能夠節(jié)省昂貴的外部元件。

3.輸入電壓范圍：允許利用幾乎耗盡的電池進(jìn)行工作。

4.效率：測量VIN、VOUT和IOUT，百分比越高，越有利于延長電池壽命(uA級時的效率高于90%則比較理想)。

了解廠商在電源管理技術(shù)領(lǐng)域的業(yè)績也非常重要。可信賴的廠商擁有為各種規(guī)模、各個行業(yè)的客戶供應(yīng)先進(jìn)技術(shù)的悠久歷史，隨時間推移持續(xù)增強(qiáng)其專業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品。有些廠商也為客戶供應(yīng)在線仿真工具，根據(jù)其設(shè)計指標(biāo)評估效率曲線和材料清單(BOM)成本。假如能夠使用評估系統(tǒng)和評估板，則能夠快速建立各種尺寸的設(shè)計原型。此外，超小尺寸封裝關(guān)于成本及尺寸敏感的設(shè)計也至關(guān)重要。

帶真關(guān)斷功能的超低靜態(tài)電流升壓轉(zhuǎn)換器

Maxim現(xiàn)在供應(yīng)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，擁有超低靜態(tài)電流(300nA)和真關(guān)斷(TrueShutdown™)技術(shù)，可理想用于要求長電池壽命的電池供電應(yīng)用。MAX17222nanoPower升壓調(diào)節(jié)器具有0.5A峰值電感電流限值(圖3)。器件采用真關(guān)斷技術(shù)，輸出與輸入斷開時，無正向或反向電流。輸出電壓可由一個1%標(biāo)準(zhǔn)電阻選擇。MAX17222擁有啟動后使能瞬態(tài)保護(hù)(ETP)，根據(jù)負(fù)載電流的不同，當(dāng)輸入電壓下降到400mV以下時，允許輸出保持在穩(wěn)壓范圍之內(nèi)。升壓轉(zhuǎn)換器采用0.88x1.4mm2、6焊球WLP封裝和6引腳uDFN封裝，峰值效率高達(dá)95%，最大程度減少散熱。