使用升壓轉換器延長電池續航力

Sep 11, 2023

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裝置的靜態電流，也就是 I_Q，是連續血糖監測器 (CGM) 等低功率、高能源效率終端設備的重要參數。積體電路在輕負載或無負載時所消耗的電流，會大幅影響待機模式下的功率損耗，以及系統的總運作時間。

由電池供電的負載實際上並非一律開啟，而是脈衝寬度調變 (PWM) 負載，這代表該負載是由兩段期間所構成：t_PWM 和 t_Standby，如圖 1 所示。雖然 t_Standby 在總負載週期中佔了 99.9% (在圖 1 中標記為 T)，但仍需要提升效率，尤其是輕負載效率。

圖 1：電池系統的負載條件

此處挑戰在於減少待機模式的功率損耗，以及限制電流尖波，同時也需在啟動脈衝期間減少工作週期，因而強化效率並延長電池續航力。具備低 I_Q 的升壓轉換器有助於減少電池的總功率損耗。

選擇低 I_Q 升壓轉換器以強化整體效率

CGM 顯示為何需將 I_Q 降至最低，以延長電池續航力。圖 2 顯示 CGM 電源塊：讀取血糖濃度的感測器、擷取血糖讀數的發射器，以及用於通訊和顯示的無線接收器。發射器會消耗最多電力，其由鈕釦型單芯電池、升壓轉換器和類比前端 (圖 3) 組成。

圖 2：CGM 的電源架構

圖 3：CGM 發射器的電源架構

圖 4 顯示類比前端的負載電流。如您所見，在 99% 的時間中，發射器都處於待機模式。

圖 4：CGM 發射器中電流消耗與時間的關係

方程式 1 計算電池在一個負載週期期間所供應的總電量：

降低 I_Q 可直接提升待機模式中的效率。

TI 的 TPS61299 升壓轉換器所消耗之 V_OUT 的 I_Q 只有 95 nA，因此可將在 CGM 的典型待機條件下的效率提升 39%：V_IN = 3.0 V，V_OUT = 3.3 V，且待機 I_OUT = 10 µA (圖 5)。對於在每個 288 秒負載週期中持續 600 ms 的 30 mA 啟動脈衝負載而言，這等於每天可減少多達 2.53 W 的功率。待機模式效率出現如此的提升，最終可望將電池續航力延長 20%。

圖 5：TPS61299 和 600-nA I_Q 裝置的效率曲線

限制電池的放電電流

雖然高能源密度、低放電的鈕扣型單芯電池極受歡迎，但其主要缺點在於具有高等效串聯電阻 (ESR) 與有限的電流能力。就 PWM 負載應用而言，其工作週期較小，且高突入電流尖波中加入高電流脈衝，這會比放電電流高出許多，並且會對電池容量與電池續航力造成有害的影響，尤其在使用超級電容器時更是如此。此外，隨著電池老化，ESR 會逐漸增加，且電流尖波造成的功率損耗也會隨之增加。

電池容量與放電電流呈反向關係，而電池續航力則與容量呈線性關係，如圖 6 所示。將放電電流從 500 mA 減少至 100 mA，就能讓電池續航力加倍。

TPS61299 升壓轉換器系列提供從 5 mA 至 1.5 A 的輸入電流限制，可準確限制啟動脈衝期間的放電電流，協助延長電池續航力。

圖 6：電池續航力與放電電流的關係

選擇具有快速暫態響應時間的裝置

為了減少總功率損耗而減少負載的啟動脈衝寬度，也能延長整體電池續航力。

圖 7 說明智慧型手錶 LED 的逐週期負載條件。PWM 負載涵蓋兩個階段：暫態時間 (t_tran) 和取樣時間 (t_sample)。t_tran 可測量升壓轉換器在負載電流或供應電壓突然改變後，調整回目標輸出電壓的速度。t_sample 則會在光二極體穩定後呈現恆定值。

縮短 t_tran 即可大幅縮減 PWM 時間 (t_PWM)，進而延長消隱時間 (t_BLANK)，並實現較長的低 I_Q 運作狀態。假設可將 t_tran 從 100 µs 減少至 10 µs，且 t_sample 為 10-µs、週期時間為 250 µs，如此就可將 t_BLANK 從 140 µs 延長至 230 µs，如圖 8 所示。