生活中使用干电池的电器设备有很多,此外还有许多小型物联网设备、安全设备和工业机器传感器也都使用一次电池工作,并需要长期运作。
因此,在为传感器、MCU、无线通信功能提供超低功耗、高效率的电源的同时,电池控制、监控也变得重要。
本文将举例说明适合电池长期工作的常见电源配置,以及具有附加功能的解决方案,以降低运输和非使用期间的功耗。
电路框图(a)
电路框图(b)
备注:关于锂一次电池
3.0V是二氧化锰型 / 3.6V是亚硫酰氯型
框图 | 要求項目 | 推荐产品 | 特征 |
---|---|---|---|
Push Button Load SW 用于电源切断 |
所需规格 待机电流 0uA 其他 产品出厂时关机状态 Push按钮一键启动 长按Push按钮强制关闭 |
XC6194 |
按钮式智能负载开关 关机功能使得出厂待机电流为1nA 也可以用作设备的主开关 可用于死机时的强制关机,也可通过UVLO功能防止液体泄漏 输入电压: 1.8~6.0V 输出电流: 1A Iq: 0.001μA@关机时, 0.13μA@开机时 按住SHDN Pin或长按Push按钮(Type A)关机,Push按钮可开机 |
升压/LDO 用于RF/Sensor |
所需规格 输出电压: 3.0V 输出电流: 50mA 其他 通过MCU进行ON / OFF控制 低噪声 |
XCL102/XCL103 (XC9141/XC9142) |
线圈集成升压DC/DC,PWM(XCL102),PWM / PFM(XCL103) 低纹波以及线圈一体型的低EMI,适用于RF/传感器 CE功能,只在RF/传感器运行时才提供电压 最适用于高效率应用的是XC9141/XC9142(外部线圈) 输入电压: 0.9~6.0V 输出电压: 2.2V~5.5V 输出电流: 350mA (1.8V to 3.3V) fosc: 3.0MHz |
XC6233(XC6215) |
快速瞬态响应/高PSRR稳压器 降低前段DC/DC的波纹 适用于RF的高速瞬态响应 100kHz以上噪声重要的应用可使用低功耗LDO,XC6215有可能更合适 输入电压: 1.7~5.5V 输出电压: 1.2V~3.6V 输出电流: 200mA |
||
RESET 用于电池电压监控器 |
所需规格 检测电压: 2.0V 超低电流消耗 其他 检测后也是低电流消耗 |
XC6136 |
超低消耗电压检测器 100nA级,电池负担极小 当电池电压与MCU相同时,CMOS输出最佳(XC6136 C型) 输入电压: 0.4~6.0V(可以保持检测状态的输入电压) 检测电压: 1.2V~5.0V Iq: 117nA@1.8V |
解决方案概要
电路框图(a)是可将MCU直接连接到电池的情况。简单的IoT/安保/可穿戴/医疗的小型设备多为这种结构。
近年来,在1.8V~3.8V的大范围内工作的MCU越来越多。这种情况下,无需使用电源IC,即可直接连接到电池使用。
关于升压IC
对此,RF和传感器需要3.3V的固定电压,即使工作电压较宽,为了满足规格要求,也需要超过一定的电压,即需要升压IC。
RF和传感器不会一直工作,有时RF也会每天通信一次,而且是几秒钟。
此外,即使看起来像一直在工作,其实有很多情况是通过细致地ON/OFF控制降低电流消耗,延长电池寿命。
为实现上述工作,在需要时,MCU将对RF和传感器的工作进行ON/OFF控制。
此外停止时,不仅会停止RF和传感器的功能,还会使升压IC及稳压器停止工作,以确保延长电池寿命。
PWM固定型适用于抑制工作时的纹波,使其噪声频率恒定。
如果轻载的工作状态存在,则使用PWM/PFM转换(自动切换工作模式)型。此外,线圈一体型适用于抑制EMI,并使其小型化。
升压 DC/DC
XCL102: PWM, 线圈一体型
XCL103: PWM/PFM, 线圈一体型
XC9141: PWM, 外置线圈
XC9142: PWM/PFM, 外置线圈
关于LDO
为了使RF和传感器的电源噪声更低,有时会在升压IC的后级使用稳压器。
具有高纹波抑制比/低噪声并且良好的负载瞬态响应特性的高速LDO最适合于消耗电流的陡峭变化的RF部位。此外,传感器用途中100kHz以上的噪声重要的情况下,也有高频噪声低的低消耗型比高速型更适合的情况。
稳压器
XC6233: 高速
XC6215: 低消耗
关于RESET IC
监视电池电压,电压下降时,向MCU发送信号。使用超低消耗型,抑制对电池的负担。
MCU的电源电压与被监测的电压相同,所以可使用CMOS输出型。CMOS输出型无需上拉电阻,不会有流过上拉电阻的消耗电流,也减少元件数量,
N沟开漏产品在电池电压下降时输出“L”时,使用的上拉电阻会有电流流过,消耗电流会增加,会影响电池寿命。
MCU中也有UVLO和A/D转换器等能监控电压的产品,作为低消耗电压监控和功能安全,MCU外部需要监控功能时,电压检测器很有用。
电压检测器
XC6136 C型 : Iq~100nA(C型 : CMOS输出)
关于提高电池寿命的解决方案 / Push Button Load SW
电路框图(b)是一种通过添加Push Button负载开关,增加功能并显著提高电池寿命的解决方案。
为了共享MCU控制和按钮控制,开关引脚右侧的SBD和MCU的VDD的上拉电阻是需要的。
Push Button 负载开关
XC6194: 1A SW内置
XC6193: 支持外置Pch驱动大电流
本解决方案具有以下很大的优点。
1、防止从产品出货到开始使用的电池放电
被称为“Storage模式”、“Ship模式”。 适用于不能拆卸电池的设备。此时的消耗电流几乎为0。
通过按下按钮,即可开始使用。当然,可与此IC共用MCU控制用的按钮。
2、可用作主电源ON-OFF开关
可用按钮代替机械开关进行ON-OFF。例如,适用于防水设备。
MCU可向SHDN引脚发送信号,并关闭Push Button负载开关。此外,我们还准备了可通过长按按钮关闭Push Button负载开关的类型。
3、解除死机
设备死机等异常时,可有效利用长按按钮的OFF功能。选择长达5秒或10秒的类型减少误操作而关闭的可能性,适用于死机对策。关闭后,再次按下按钮即可使之正常启动。
并且Push Button负载开关作为对电池有益的功能,具有以下特点。
浪涌电流保护功能可降低启动时的浪涌电流。
启动完成后有PG引脚输出可起动使下一级电源IC和MCU工作。
1.2V UVLO功能让Push botton负载开关进入Shutdown状态,有防止电池漏液的效果。
VOUT大幅下降时,通过输出短路保护功能进行Shutdown保护
如上所述,即使是以直接连接到电池工作的MCU为核心的简单的器件,稍微花点功夫也可进一步提高电池寿命,满足更紧凑和更高灵敏度的要求。
关于特瑞仕半导体株式会社
特瑞仕半导体株式会社(总公司:东京、东证第一部: 6616)从 1995年设立以来,作为国内唯一的模拟电源IC的专业厂家,以「Powerfully Small」为产品制造追求的目标,提供增加客户产品的附加值的世界最小级的高效率模拟电源IC以及可以加快客户产品开发的电源设计方案。
特瑞仕的产品以国内为首,通过海外6家分公司7处销售点销往世界各地,被广泛用于工业机器,汽车用品,通信,电脑产品,穿戴电子等市场。
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原文标题:【工业设备/IoT应用方案】一次电池工作机器/IoT/工业传感器
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