Come ottenere nano IQ nei sistemi elettronici: strategie e soluzioni per migliorare la durata delle batterie

Questo documento evidenzia vari meccanismi di progettazione per ottenere una nano-corrente di riposo (nano IQ) in diverse applicazioni di potenza, oltre alle problematiche connesse.

Uno sguardo d’insieme

L’importanza della nano IQ in diverse applicazioni di potenza

La necessità di migliorare la durata delle batterie a ogni generazione di dispositivi è in aumento e porta a richiedere l’utilizzo di IQ più basse.

 

Ottenere la nano IQ in monitor BMS

Passando a modalità di alimentazione in cui le funzioni essenziali del dispositivo sono abilitate soltanto laddove sono necessarie e utilizzando innovazioni a livello di circuito per ridurre la IQ.

 

Ottenere la nano IQ in supervisori di tensione

La nano IQ è necessaria per aumentare la durata delle batterie, per il monitoraggio «always-on», mentre al tempo stesso è necessaria una bassa latenza per una rapida segnalazione degli errori.

Quando un chip è in modalità standby, il suo consumo di potenza è definito dalla sua bassa corrente di riposo (IQ), che si riferisce a uno stato di quiescenza del circuito quando non sta azionando alcun carico. Una bassa IQ prolunga la durata delle operazioni di standby nei componenti automotive e industriali alimentati a batteria, come il monitor di sistemi di gestione della batteria (BMS), i caricabatterie BMS, i supervisori di tensione e i convertitori CC/CC. Tuttavia, questi dispositivi necessitano comunque di consumare una certa quantità di IQ in modalità standby per sostenere funzioni a priorità elevata e caratteristiche di sicurezza funzionale fondamentali, oltre alla possibilità di wake-up rapido del sistema per il passaggio alla modalità attiva.

 

L’importanza della nano IQ in diverse applicazioni di potenza

La necessità di migliorare la durata delle batterie a ogni generazione di dispositivi è in aumento e porta a richiedere l’utilizzo di IQ più basse. Questi dispositivi possono essere configurati per operare in modalità normale, modalità sospesa/standby o modalità di spegnimento. La modalità normale riguarda soltanto una porzione molto ridotta del profilo di missione di un’applicazione di potenza [1]: queste tipologie di prodotti sono in modalità standby per la maggior parte del tempo. L’assorbimento di corrente da parte dell’alimentatore può essere pari a diverse milliampere in modalità normale in presenza di burst di comunicazione ad alta velocità e pari a diverse nanoampere durante il passaggio alla modalità sospesa o standby. Le modalità di funzionamento a livello di nanoampere possono permettere di risparmiare potenza per favorire una maggiore durata della batteria.

Questo documento analizza i meccanismi di progettazione per ottenere la nano IQ in diverse applicazioni di potenza, come i monitor di tensione della batteria BMS per uso industriale e automotive, i caricabatterie, i convertitori CC/CC e i supervisori di tensione, oltre alle problematiche connesse. Da un lato, la nano IQ è necessaria per consentire una maggiore durata della batteria, mentre dall’altro il circuito integrato (CI) deve consumare una certa quantità di IQ per sostenere funzionalità come il wake-up del sistema.

 

Ottenere la nano IQ in monitor BMS

Molti prodotti alimentati a batteria, come gli utensili elettrici e le e-bike, sono caratterizzati dalla necessità di bilanciare funzionalità e IQ in diversi stati di potenza. Ad esempio, un utensile elettrico in stato attivo (a grilletto premuto) potrebbe consumare corrente nell’ordine delle ampere, rendendo l’IQ del monitor della batteria utilizzato nell’utensile elettrico trascurabile rispetto al resto del sistema. Tuttavia, questo stesso utensile elettrico alimentato a batteria potrebbero rimanere fermo su un tavolo per ore o giorni in modalità sospesa, con funzionalità di protezione di base attivate. L’utensile elettrico dovrebbe avere inoltre la capacità di rispondere rapidamente alla pressione del grilletto. In un tale stato a bassa tensione, l’IQ consumata dal monitor BMS diventa di gran lunga più importante.

La disponibilità di una modalità sospesa, dotata comunque di protezioni attive, la presenza di uno stabilizzatore di tensione attivato per mantenere la memoria nel microcontroller del sistema (MCU) e la misurazione di tensione, corrente e temperatura di duty-cycle per mezzo di convertitori analogico-digitale permettono al sistema di rimanere completamente protetto e pronto a rispondere rapidamente, pur essendo in grado di ridurre il consumo di potenza per un fattore 10 o superiore, rispetto alla modalità attiva. I monitor industriali di TI dispongono di una gran varietà di opzioni per la modalità sospesa e permettono di scegliere se mantenere le protezioni attive (potendo quindi tenere abilitato il percorso di scarica), il regolatore a basso dropout abilitato (per consentire alla MCU del sistema di mantenere la memoria e recuperare nel giro di microsecondi anziché millisecondi), e opzioni per il duty-cycle per la misurazione di tensione, corrente e temperatura per una modalità sospesa sicura e operativa che sia possibile configurare su misura per ottimizzare la potenza e le prestazioni.

 

Ottenere la nano IQ in monitor BMS automotive

La centralina della batteria (BCU) integra solitamente la MCU primaria del BMS ed è alimentata da una batteria a 12 V. La MCU non può funzionare su 12 V, pertanto sarà presente un convertitore CC/CC oppure un circuito integrato di gestione della potenza sulla scheda per generare la sua alimentazione elettrica. Il dispositivo bridge BMS che traduce i protocolli di comunicazione Serial Unit Peripheral Interface/Universal Asynchronous Receiver dalla MCU alla daisy chain isolata per i monitor delle celle è anch’esso sulla BCU. La batteria a 12 V si carica mentre il veicolo è in movimento; pertanto il consumo di corrente da parte del rail a 12 V è meno importante. Quando l’auto è parcheggiata e non in carica, i contattori ad alta tensione sono aperti e la batteria > 400 V è scollegata dal sistema e non può quindi caricare la batteria a 12 V. Ciò nonostante, la batteria a 12 V deve continuare ad alimentare la BCU e altre funzionalità «always-on» (come l’apertura o chiusura con la chiave telecomando) per lassi di tempo sconosciuti. Un basso consumo energetico è importante per queste tipologie di dispositivi «always-on».

Tipicamente, i produttori di apparecchiature originali (OEM) non vogliono assorbire più di 100 μA di corrente media dalla batteria a 12 V per tutte le caratteristiche «always-on». La completa disattivazione della BCU ridurrebbe al minimo il consumo energetico del BMS, ma lascerebbe il sistema incapace di reagire nel caso in cui una cella subisse danni e divenisse pericolosa. Al contrario, gli OEM mettono la MCU in uno stato a potenza estremamente bassa e si affidano alla capacità di wake-up inverso del dispositivo bridge. Questa funzionalità, come mostrato in Figura 1, consente ai monitor delle celle di avvisare il dispositivo bridge in caso di guasto critico, mentre il dispositivo bridge, a sua volta, risveglia la MCU in modo che possa reagire al guasto.

 

Minore è il consumo energetico del dispositivo bridge, più a lungo l’auto può rimanere parcheggiata e le sue batterie possono essere monitorate in sicurezza senza scaricare completamente la batteria a 12 V. Il consumo di corrente del BQ79600 di TI è pari a < 7 μA in modalità sospesa, il che riduce il rischio di scaricare completamente la batteria a 12 V.

 

Ottenere la nano IQ in caricabatterie per automazione domotica industriale

Le nostre case stanno diventando sempre più intelligenti utilizzando dispositivi connessi a Internet per permettere il monitoraggio e la gestione da remoto di elettrodomestici e impianti. Il videocitofono, un accessorio di base di una smart home, fornisce immagini ad alta definizione e comunicazione audio bidirezionale in modo che i proprietari possano dare il benvenuto agli ospiti direttamente dal proprio smartphone. Mentre la maggior parte dei videocitofoni è cablata in modo fisso a un’alimentazione a 12 V o a 16 V, molti consumatori sono alla ricerca di videocitofoni alimentati a energia solare o a batteria nei casi in cui il cablaggio o il trasformatore già esistenti siano obsoleti o non compatibili. Di norma la batteria è molto piccola per riuscire a supportare la connettività wireless e la pressione del pulsante del campanello. I caricabatterie buck BQ25622 e BQ25638 di TI presentano una IQ di 1,5 μA in modalità a sola batteria e di 100 nA in modalità di spegnimento, con un percorso di potenza per massimizzare e aumentare l’autonomia della batteria per l’intero ciclo di vita del prodotto.

Consentendo soltanto le funzioni fondamentali del dispositivo quando necessario, è possibile ridurre la IQ in questi caricabatterie, che hanno una funzione per monitorare la temperatura della batteria attraverso il pin TS per motivi di sicurezza. Come mostrato in Figura 2, un interruttore interno al chip isola la rete di termistori esterni collegata al pin TS_BIAS dal pin REGN a 5 V. Questa architettura contribuisce a eliminare il 99% della corrente di polarizzazione dei termistori che influenza la IQ del caricabatterie, rendendo possibile realizzare un interruttore interno con un duty cycle dell’1%.

 

Lo spegnimento delle tensioni del sistema durante il mantenimento della potenza della batteria in modalità di spedizione consente una riduzione anche maggiore della IQ. Come mostrato in Figura 3, BQ25622 e BQ25638 sono dotati di un transistor a effetto di campo (FET) (Q4) interno e integrato, a bloccaggio bidirezionale, che isola la batteria dal sistema quando è spento. La modalità di spedizione è utile non soltanto quando il prodotto sta per essere imballato in fabbrica, ma anche quando la batteria del dispositivo è quasi scarica oppure quando l’utente desidera spegnere il prodotto.

 

 

Ottenere la nano IQ in caricabatterie BMS automotive

Nel 2018, l’Unione Europea ha disposto che tutte le auto commercializzate sul mercato europeo debbano essere dotate di un sistema di chiamata di emergenza (eCall) che contatti automaticamente il personale di emergenza in caso di grave incidente stradale, trasmettendo le coordinate GPS ai servizi di pronto intervento locali e inviando in wireless informazioni sull’apertura degli airbag e dei sensori di impatto. Il sistema eCall è dotato di una propria batteria, indipendente dalla batteria del veicolo, che deve avere abbastanza energia per effettuare una telefonata di 10-15 minuti e per rimanere sulla rete di telefonia mobile per 60 minuti dopo la chiamata iniziale, oltre a poter funzionare in qualsiasi momento. Il circuito integrato del caricabatterie BQ25171-Q1 svolge un ruolo importante scaricando la batteria del sistema eCall quando il veicolo è in moto. Quando il veicolo è spento, questo circuito integrato del caricabatterie va in modalità sospesa e consuma soltanto 350 nA dalla batteria. Una bassa IQ contribuisce a prolungare i tempi di standby dell’eCall perché sia sempre pronto alle emergenze.

Ottenere la nano IQ in supervisori di tensione

In modalità standby, gli OEM automotive dispongono di un budget di 100 μA per tutta l’elettronica che si basa sul rail di tensione di alimentazione, che potrebbe comprendere i supervisori di alimentazione, gli interruttori di carico, i diodi di soppressione della tensione transitoria di protezione e i convertitori CC/CC. I livelli di nano IQ nei supervisori di tensione possono aiutare gli OEM automotive a rispettare questo budget di IQ in modalità standby a livello di sistema. Mentre la IQ di standby viene ridotto, il dispositivo supervisore di tensione non può ridurre il proprio tempo di reazione ai guasti in standby. I requisiti di sicurezza funzionale specificano la risposta ai guasti del dispositivo, caratterizzata dall’intervallo del tempo di tolleranza ai guasti dal rilevamento alla segnalazione di un errore, per scalare dall’ordine dei 100 μs a quello inferiore a 10 μs.

Le soluzioni convenzionali per i supervisori di tensione di alimentazione con una precisione di rilevamento di soglia dell’1,5% hanno utilizzato un partitore di potenziale configurabile con resistenze discrete sulla scheda a circuito stampato (PCB). Per ridurre la IQ del sistema, i valori di queste resistenze discrete devono scalare verso l’alto fino a diverse decine di megaohm. Poiché i progettisti di circuiti stampati non aggiungono solitamente serie di resistenze di rilevamento ad alta impedenza alle proprie schede per via dei limiti di spazio, le serie di resistenze sono integrate sul die del supervisore con finestra TPS37-Q1. Una bassa IQ diventa possibile sul percorso di riferimento mediante il duty cycle del riferimento di tensione e conservando il riferimento su un condensatore, costruendo inoltre la serie interna di resistenze di rilevamento sotto forma di serie di resistenze non lineari, riconfigurata tra una regione a resistenza costante e una regione a corrente costante, al fine di creare una serie di rilevamento a impedenza molto elevata alle tensioni più alte.

I supervisori con finestra ad ampia VIN come il TPS37-Q1 devono essere in grado di gestire escursioni di tensione all’ingresso dell’alta tensione esterna e le tensioni sottoregolate interne. I circuiti dinamici rilevano le transizioni sia di aumento che di caduta per migliorare le prestazioni dei trasduttori di livello tra l’alta tensione esterna e i domini regolati interni verso una modalità turbo temporanea al fine di migliorare i tempi di risposta del sistema, pur continuando a supportare una bassa IQ.

Ottenere la nano IQ in convertitori CC/CC industriali e per l’elettronica personale

Nei sistemi alimentati a batteria, come i sistemi di misurazione, i rilevatori di fumo, gli smartwatch, i sensori medici e gli apparecchi acustici, uno o due rail di tensione sono sempre abilitati per alimentare la MCU del sistema, un sensore importante o eventualmente un bus di comunicazione. Questi rail «always-on» devono avere un’efficienza molto elevata per prolungare l’autonomia della batteria, rendendo molto importante la riduzione della IQ. Il convertitore buck TPS62843 è ottimizzato per correnti di carico fra 50 μA e 300 mA, è dotato di una modalità di risparmio energetico, una IQ di esercizio di 275 nA e una corrente di spegnimento di 4 nA. Il convertitore buck-boost TPS63901 e il convertitore boost TPS61299 presentano una funzione di limitazione della corrente di ingresso per proteggere le batterie che non supportano correnti di picco elevate, come le batterie a bottone. Il convertitore TPS63901 è dotato di una funzione di scalabilità della tensione dinamica che permette la commutazione fra due tensioni di uscita durante il funzionamento, risparmiando quindi potenza tramite l’utilizzo di una tensione di alimentazione del sistema inferiore in modalità standby. Come mostrato in Figura 4, un circuito R2D (resistor-to-digital) in questi convertitori CC/CC imposta la tensione di uscita, contribuendo a eliminare la corrente di dispersione nelle resistenze di retroazione e ottenendo una riduzione delle dimensioni della soluzione, diminuendo i costi di progettazione (in quanto è necessaria una resistenza in meno per selezionare la tensione di uscita).

 

 

La Figura 5 mostra il grafico della IQ d’esercizio estremamente bassa del convertitore buck LMR36502 e del modulo buck TPSM365R15. La IQ di esercizio di 4 μA rimane relativamente costante lungo l’intero intervallo di tensioni d’esercizio da 20 V a 60 V dove i rail «always-on» devono operare contribuendo ad aumentare la durata della batteria.

 

 

 

 

Ottenere la nano IQ in convertitori CC/CC automobilistici

Esistono molte applicazioni automotive «always-on», come sensori, sistemi di e-call e unità di controllo a zone, nelle quali è assolutamente fondamentale avere lunghi tempi di standby ed elevata efficienza a basso carico. Il convertitore LMQ66430-Q1 è progettato per superare queste sfide, ottenendo un’efficienza >85% a carichi di 1 mA e consentendo un consumo di corrente tipico in assenza di carico di 1,5 μA a 13,5 VIN. Il circuito integrato esegue un controllo di impedenza all’avvio sul pin VOUT/FB. Se non viene rilevata nessuna resistenza di retroazione esterna, il dispositivo utilizza automaticamente una rete di retroazione interna che imposta una tensione di uscita fissa di 3,3 V o 5 V, contribuendo a ridurre le perdite attraverso la rete di retroazione e riducendo la IQ. Il LMQ66430-Q1 utilizza un regolatore interno a basso dropout (LDO) per fornire potenza al circuito interno per il circuito integrato. Anziché alimentare il LDO con tensione di ingresso e subire la perdita di efficienza, il LMQ66430-Q1 sfrutta la stessa tensione proveniente dal pin VOUT/FB per alimentare il LDO interno, che polarizza quindi tutto il circuito interno al fine di ridurre la IQ totale.

Un altro convertitore buck, il TPS62903-Q1, utilizza un’interfaccia R2D per impostare la tensione di uscita, consentendo quindi di ridurre la corrente di dispersione. Il TP62903-Q1 passa in modo trasparente alla modalità di risparmio energetico al calare del carico. In questo stato, il circuito integrato funziona in modalità PFM (modulazione della frequenza di impulso) riducendo la frequenza di commutazione al fine di mantenere un’efficienza elevata, come mostrato in Figura 6 in condizioni a basso carico. In questo modo si riduce la IQ tipica a 4 μA.

 

Conclusione

La combinazione tra nano IQ e le prestazioni dei chip di potenza ad alta tensione resa possibile dalle tecnologie di processo di TI contribuiscono ad aumentare la durata del funzionamento in standby in numerose tipologie di applicazioni di potenza. È molto importante comprendere il profilo di missione del prodotto finale per definire l’obiettivo di IQ per il sistema o per il progetto del circuito integrato.