了解 3 种静态电流 (IQ) 的规格

2021年11月26日 16:48

静态电流(IQ)通常定义为集成电路(IC)在空载和非开关但启用状态下消耗的电流。广义上,静态电流是IC在任何超低功耗状态下消耗的输入电流,这一定义更有助于我们理解静态电流的内涵。

对于电池供电的应用来说,这种输入电流由电池提供,因而决定了电池工作多长时间后需要再次充电(锂离子或镍氢电池等可充电电池)或更换电池(碱性电池或锂二氧化锰等原电池)。对于长时间处于待机或休眠模式的电池供电应用,其电池运行时间可能因静态电流的影响产生数年之差。例如,使用60nA的TPS62840等超低静态电流升压转换器为常开型应用(如图1中的智能电表)供电,其电池运行时间可达10年。

图1:智能电表

静态电流也会影响我们日常设备中的电池的运行时间。比如,您在买到智能手表之后,会在使用之前先充一小时电。又或者,您总是随身携带家中的实体钥匙,以防智能锁(如图2所示)的电池电量耗尽。以上两种场景也与静态电流脱不开干系。

图2:智能锁应用

在本文中,我将介绍直流/直流转换器数据表中与静态电流相关的三种常见规格——关断电流、非开关静态电流和开关静态电流,并对这些规格如何影响系统功耗进行说明。

应对低功耗应用中的低静态电流挑战


关断电流

关断电流是在IC关闭或禁用时进行测量的。因此,您可能会认为非开关静态电流应该一直为零。事实上,部分IC在该状态下会出现泄漏电流,而其他IC实际上具有内部电路,即便在IC禁用的情况下,内部电路也会消耗少量电流以维持内务处理功能。

以摆放在商店货架上的消费类电子产品为例,您的智能手表之所以在购买之后无法立即工作,与其IC的关断电流规格有关,如图3所示。当终端产品在商店货架上摆放或在仓库中长时间存放时(温度可能会升高,导致电池电量更快耗尽),其中的器件(例如大部分直流/直流转换器)是处于关断状态的。因此,尽管直流/直流转换器处于禁用状态,电池仍在缓慢放电。

图3:BQ21061处于运输节电模式时的电池放电电流

部分IC具有多种关断状态,比如TI的BQ25120电池充电器的2nA运输模式,或者TPS61094升压转换器的4nA旁路模式。在这些高级关断状态下,为了仅消耗极少量的静态电流,通常会启用非常有限的器件功能。与静态电流为700nA的BQ25120高阻抗(关断)模式和静态电流为200nA的TPS61094关断模式相比,运输节电模式和旁路模式可将电池运行时间分别延长350倍和50倍。

非开关静态电流

非开关静态电流是IC已启用、处于开关脉冲之间且没有负载时的电流。这一参数可通过量产自动化测试设备轻松测得,因此可从大部分开关直流/直流转换器的数据表中找到。

虽然可以根据非开关静态电流对不同的IC进行同类比较,但这种方式无法对电池运行时间进行最准确的估算,原因有二:非开关静态电流不同于消耗的电池电流,而且许多IC同时通过输入电压和输出电压消耗静态电流。但是,既然输出电压及其静态电流从根本上来自输入端的电池,因而需要采取额外转换或测量,以获取输入电源的等效静态电流——不可将两个静态电流值简单相加来得出消耗的电池总电流。例如,TPS61099升压转换器可从输入电压消耗400nA静态电流,并从输出电压消耗600nA静态电流,但其空载输入电流消耗约为1.3µA而非1µA。

开关静态电流

开关静态电流有许多不同的名称:工作静态电流、待机电流、休眠模式电流、空载输入电流、低压降线性稳压器(LDO)的接地电流等。它是IC处于工作状态且不提供任何负载电流时实际测得的输入电流。由于开关静态电流是在实际情况下而非量产线上所测得,因此IC偶尔会进行切换以减少损耗并对输出端的泄漏进行补充。

该参数是对空载状态下所消耗电池电流的最准确估算,可在许多数据表中找到,例如TPS62840的开关静态电流为60nA,如图4所示。

图4:60nA静态电流直流/直流转换器

对于大部分时间都保持超低功耗状态的应用来说,使用低静态电流直流/直流转换器对于实现应用所需的电池运行时间至关重要。例如,智能锁在大部分时间内处于超低功耗状态,等待手机发送开锁码。如果开关静态电流过高,则大部分的电池电量都将消耗在等待中,而不是用于开关锁。

结语

本文简要介绍了数据表中静态电流的常见规格及其对电池运行时间的影响。要了解更多关于静态电流的详细信息,请参阅白皮书“在低功耗应用中克服低IQ挑战”,阅读笔者发布在模拟设计期刊上的文章“静态电流:定义、常见误解及其使用方式”,或观看低静态电流培训系列视频,更加深入地了解该主题。

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