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作者：Bryan Angelo Borres，產(chǎn)品應用工程師 Noel Tenorio，產(chǎn)品應用經(jīng)理 ADI公司 摘要 本文將介紹如何使用開(kāi)/關(guān)控制器和電池保鮮密封件集成解決方案，使產(chǎn)品設計在操作和生產(chǎn)過(guò)程中更加高效。具體而言，本文將詳細介紹ADI公司的集成開(kāi)/關(guān)控制器在節能特性、小尺寸和高ESD額定值方面的優(yōu)勢。 簡(jiǎn)介 在疫情影響下，高度依賴(lài)在線(xiàn)資源的混合辦公模式加速普及，電子系統成為了必不可少的工具。此外，聯(lián)合國提出2030可持續發(fā)展議程1，電子公司正持續實(shí)踐可持續發(fā)展工作，使得電子系統效率的重要性愈發(fā)凸顯。這要求我們，不僅在現場(chǎng)操作期間，更要在生產(chǎn)制造過(guò)程中，采取各種措施提升能效2。 利用開(kāi)/關(guān)控制器促進(jìn)能效提升 高效利用資源對于實(shí)現可持續發(fā)展目標至關(guān)重要1。我們可以通過(guò)多種方式來(lái)有效利用資源。比較簡(jiǎn)單的方法是在不使用電子設備時(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(guò)實(shí)施節能機制來(lái)實(shí)現高效可靠的設計。 開(kāi)/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)現這些目標的有力助手。在電路不使用時(shí)，這種控制器會(huì )斷開(kāi)整個(gè)電路與電池的連接，有助于延長(cháng)電池壽命并節約能源3。這不僅可以延長(cháng)產(chǎn)品的保質(zhì)期，還能盡可能降低待機功耗，減少不必要的電池放電，從而減少能源浪費。 以下內容將介紹此類(lèi)控制器如何通過(guò)工作模式、集成特性和穩健性來(lái)幫助節約能源。 通過(guò)待機模式和休眠模式減少能源浪費 消費類(lèi)電子設備經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是，現成產(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(hù)體驗也會(huì )大打折扣。 為解決這個(gè)問(wèn)題，高效的電池供電設備會(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(kāi)/關(guān)控制器的功能，可以通過(guò)斷開(kāi)電池與下游電路的連接來(lái)防止電池放電，而在收到電路使能信號（例如來(lái)自按鈕的信號）后進(jìn)行連接，如圖1所示3, 4。這種電路工作模式通常稱(chēng)為運輸模式或待機模式，其中后者更加通用，而前者專(zhuān)門(mén)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，導致系統效率受影響。耗電的程度取決于電路的待機能耗。能耗較低的器件有助于解決這個(gè)問(wèn)題。例如新型MAX16169等帶有電池保鮮密封件的按鈕控制器，這些器件的待機電流額定值僅為幾納安，如圖1所示。 
圖1.GPS追蹤器系統中的電池保鮮密封件 按下按鈕后，電池就會(huì )連接到負載。以圖1為例，電池將連接到微控制器(MCU)、安全數字(SD)模塊和全球定位系統(GPS)模塊。此外，MAX16163/MAX16164中的休眠模式也有助于進(jìn)一步延長(cháng)電池壽命。這些器件會(huì )周期性地在特定時(shí)間打開(kāi)和關(guān)閉系統，定期喚醒系統中的器件，待其完成任務(wù)后，再次進(jìn)入休眠模式。對于設備間歇運行的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等無(wú)線(xiàn)監控應用，此特性非常實(shí)用5，可以通過(guò)降低待機期間的功耗，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；當電池連接到系統時(shí)(如圖1所示)，則會(huì )出現ACTIVE_STATE。
圖2.休眠模式電流消耗 通過(guò)集成解決方案實(shí)現無(wú)形化 PCB制造的最佳實(shí)踐包括負責任的資源管理6。這包括采取無(wú)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整合了負載開(kāi)關(guān)和按鈕去抖功能，而MAX16163/MAX16164還增加了時(shí)序功能。請注意，MAX16150和MAX16169的方框圖非常相似。 此外，傳統方法通常使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘、負載開(kāi)關(guān)和按鈕控制器來(lái)實(shí)現，圖4的集成解決方案將對此加以改進(jìn)。MAX16163/MAX16164集成解決方案不僅能夠將解決方案尺寸縮小60%，而且在保持相同功能的前提下，還能將電池壽命延長(cháng)20%5。 借助高ESD額定值器件提升系統級穩健性 在集成電路中加入靜電放電(ESD)保護電路，對于確保電路在惡劣環(huán)境下的可靠性至關(guān)重要。這些電路需要連續穩定地運行，因此需要足夠的保護來(lái)抵御外部浪涌7。系統設計人員通過(guò)ESD測試方法來(lái)評估產(chǎn)品的抗靜電性能，例如人體模型(HBM)方法用于器件級ESD測試，而IEC 61000-4-2模型用于系統級測試8。 器件級ESD測試旨在確保IC在制造過(guò)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(guò)IC釋放到地面。系統級ESD測試旨在確保器件能夠在各種實(shí)際應用中的工作條件下承受瞬態(tài)事件，包括防雷。為了滿(mǎn)足此要求，發(fā)布的產(chǎn)品必須按照IEC 61000-4-2 ESD標準模擬實(shí)際瞬態(tài)條件，進(jìn)行嚴格測試。雖然HBM和IEC 61000-4-2 ESD測試方法均模擬帶電人體放電至電子系統的場(chǎng)景，但IEC 61000-4-2標準在許多方面與器件級ESD有所不同8。 表1.HBM和IEC 61000-4-2 ESD測試方法的峰值電流比較
表1顯示，HBM測試中的峰值電流是IEC 61000-4-2測試中的脈沖電流的1/5.6。在沖擊次數方面，器件級HBM測試僅需要一次正沖擊和一次負沖擊，而系統級IEC 61000-4-2要求IC至少經(jīng)過(guò)10次正沖擊和10次負沖擊才能通過(guò)8。這意味著(zhù)為了達到相應的IEC 61000-4-2額定值，系統工程師應該考慮使用HBM額定值高得多的器件。例如，HBM ESD額定值為+15 kV的系統（如MAX16150）可能滿(mǎn)足±2 kV的IEC 61000-4-2額定值要求。類(lèi)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±6 kV IEC 61000-4-2合規性。
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，表示器件對惡劣環(huán)境的耐受力越強。這不僅能有效減少現場(chǎng)操作中斷，提升系統的可靠性，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(kāi)/關(guān)控制器和電池保鮮密封件在所有引腳上均采用ESD保護結構，以便在搬運和組裝過(guò)程中防止靜電放電。此外，開(kāi)關(guān)輸入處還設計了一重額外保護。這些密封件的高HBM ESD額定值有助于系統設計滿(mǎn)足IEC 61000-4-2標準。 結論 若要持續提升能源效率，就必須在從工廠(chǎng)生產(chǎn)到現場(chǎng)運行的整個(gè)過(guò)程中，使用可以減少能源浪費的器件。本文介紹了ADI公司的按鈕開(kāi)/關(guān)控制器和電池保鮮密封產(chǎn)品如何通過(guò)待機模式和休眠模式幫助減少能源浪費；如何通過(guò)集成功能節省生產(chǎn)能源、減小PCB尺寸；以及如何通過(guò)更高的ESD額定值提高現場(chǎng)穩健性。 參考資料 1“變革我們的世界：2030年可持續發(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)可持續發(fā)展的未來(lái)”，《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“可持續消費類(lèi)電子設備設計：PCB材料和供應鏈管理”，Cadence PCB Solutions。 7 Sang-Wook Kwon、Seung-Gu Jeong、Jeong-Min Lee和Yong-Seo Koo，“利用靜電放電保護電路設計能夠抵御破壞且兼具可持續性的低壓差穩壓器”，《Sustainability》（可持續發(fā)展），2023年6月。 8 Anindita Bhattacharya，“±2kV HBM ESD保護是否足以保護物聯(lián)網(wǎng)設備？”Semtech，2023年6月。 作者簡(jiǎn)介 Bryan Angelo Borres是多市場(chǎng)Power-East事業(yè)部高性能電源監控器組的電源應用工程師。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在電力電子設計研發(fā)領(lǐng)域擁有超過(guò)五年的工作經(jīng)驗。 Noel Tenorio是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應用經(jīng)理，主要負責多市場(chǎng)功率處理高性能電源監控產(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(kāi)關(guān)模式電源研發(fā)公司作為設計工程師工作了六年。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(zhuān)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。在負責電源監控產(chǎn)品之前，他還在熱電冷卻器控制器產(chǎn)品的應用支持領(lǐng)域擔任過(guò)重要職務(wù)。 |
