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(shè)計(jì)在操作和生產(chǎn)過(guò)程中更加高效。具體而言,，本文將詳細(xì)介紹ADI公司的集成開(kāi)/關(guān)控制器在節(jié)能特性、小尺寸和高ESD額定值方面的優(yōu)勢(shì),。

　　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(tǒng)成為了必不可少的工具,。此外,，聯(lián)合國(guó)提出2030可持續(xù)發(fā)展議程1，電子公司正持續(xù)實(shí)踐可持續(xù)發(fā)展工作,，使得電子系統(tǒng)效率的重要性愈發(fā)凸顯,。這要求我們，不僅在現(xiàn)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(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)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(shè)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(jié)能機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)高效可靠的設(shè)計(jì)。

　　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(xiàn)這些目標(biāo)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(zhǎng)電池壽命并節(jié)約能源3,。這不僅可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期，還能盡可能降低待機(jī)功耗,，減少不必要的電池放電,，從而減少能源浪費(fèi)。

　　以下內(nèi)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(wěn)健性來(lái)幫助節(jié)約能源,。

　　通過(guò)待機(jī)模式和休眠模式減少能源浪費(fèi)

　　消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是，現(xiàn)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(yàn)也會(huì)大打折扣,。

　　為解決這個(gè)問(wèn)題,，高效的電池供電設(shè)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(hào)（例如來(lái)自按鈕的信號(hào)）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(yùn)輸模式或待機(jī)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(dǎo)致系統(tǒng)效率受影響,。耗電的程度取決于電路的待機(jī)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(jī)電流額定值僅為幾納安，如圖1所示,。

　　圖1.GPS追蹤器系統(tǒng)中的電池保鮮密封件

　　按下按鈕后,，電池就會(huì)連接到負(fù)載。以圖1為例,，電池將連接到微控制器（MCU）,、安全數(shù)字（SD）模塊和全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊。此外,，MAX16163/MAX16164中的休眠模式也有助于進(jìn)一步延長(zhǎng)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(tǒng),，定期喚醒系統(tǒng)中的器件，待其完成任務(wù)后,，再次進(jìn)入休眠模式,。對(duì)于設(shè)備間歇運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等無(wú)線(xiàn)監(jiān)控應(yīng)用，此特性非常實(shí)用5,，可以通過(guò)降低待機(jī)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(dāng)電池連接到系統(tǒng)時(shí)（如圖1所示）,，則會(huì)出現(xiàn)ACTIVE_STATE。

　　圖2.休眠模式電流消耗

　　通過(guò)集成解決方案實(shí)現(xiàn)無(wú)形化

　　PCB制造的最佳實(shí)踐包括負(fù)責(zé)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(fù)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(qǐng)注意,，MAX16150和MAX16169的方框圖非常相似,。

　　此外，傳統(tǒng)方法通常使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘,、負(fù)載開(kāi)關(guān)和按鈕控制器來(lái)實(shí)現(xiàn),，圖4的集成解決方案將對(duì)此加以改進(jìn)。MAX16163/MAX16164集成解決方案不僅能夠?qū)⒔鉀Q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(zhǎng)20%5。

　　借助高ESD額定值器件提升系統(tǒng)級(jí)穩(wěn)健性

　　在集成電路中加入靜電放電（ESD）保護(hù)電路,，對(duì)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(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，因此需要足夠的保護(hù)來(lái)抵御外部浪涌⁷,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)ESD測(cè)試方法來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的抗靜電性能,，例如人體模型（HBM）方法用于器件級(jí)ESD測(cè)試,，而IEC 61000-4-2模型用于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試⁸,。

　　器件級(jí)ESD測(cè)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(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試旨在確保器件能夠在各種實(shí)際應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)模擬實(shí)際瞬態(tài)條件,，進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。雖然HBM和IEC 61000-4-2 ESD測(cè)試方法均模擬帶電人體放電至電子系統(tǒng)的場(chǎng)景,，但I(xiàn)EC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)在許多方面與器件級(jí)ESD有所不同⁸,。

　　表1顯示，HBM測(cè)試中的峰值電流是IEC 61000-4-2測(cè)試中的脈沖電流的1/5.6,。在沖擊次數(shù)方面,，器件級(jí)HBM測(cè)試僅需要一次正沖擊和一次負(fù)沖擊，而系統(tǒng)級(jí)IEC 61000-4-2要求IC至少經(jīng)過(guò)10次正沖擊和10次負(fù)沖擊才能通過(guò)⁸,。這意味著為了達(dá)到相應(yīng)的IEC 61000-4-2額定值,，系統(tǒng)工程師應(yīng)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(tǒng)（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(xiàn)±6 kV IEC 61000-4-2合規(guī)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(duì)惡劣環(huán)境的耐受力越強(qiáng)。這不僅能有效減少現(xiàn)場(chǎng)操作中斷,，提升系統(tǒng)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(hù)結(jié)構(gòu),，以便在搬運(yùn)和組裝過(guò)程中防止靜電放電。此外,，開(kāi)關(guān)輸入處還設(shè)計(jì)了一重額外保護(hù),。這些密封件的高HBM ESD額定值有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。

　　結(jié)論

　　若要持續(xù)提升能源效率,，就必須在從工廠生產(chǎn)到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中,，使用可以減少能源浪費(fèi)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(jī)模式和休眠模式幫助減少能源浪費(fèi),；如何通過(guò)集成功能節(jié)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(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)健性。

　　參考資料

　　¹“變革我們的世界：2030年可持續(xù)發(fā)展議程”,，聯(lián)合國(guó),。

　　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(xù)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(jiān)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(xù)消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備設(shè)計(jì)：PCB材料和供應(yīng)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(hù)電路設(shè)計(jì)能夠抵御破壞且兼具可持續(xù)性的低壓差穩(wěn)壓器”,，《Sustainability》（可持續(xù)發(fā)展）,，2023年6月。

　　⁸ Anindita Bhattacharya,，“±2kV HBM ESD保護(hù)是否足以保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,？”Semtech，2023年6月,。

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