IoT器件(电池工作、低消耗)

小型IoT模块以监视状态、环境并进行通信为主要功能,多用于工业设备、医疗、家庭自动化等。
主要由各种传感器、MCU及无线通信构成,要求用小型电池长期工作。

※由12V或24V驱动的IoT器件的解决方案,请参阅产机传感器

一次电池物联网设备

许多小型IoT器件要求用一次电池长期工作。
因此,在为传感器、MCU、无线通信各功能供应超低消耗工作且高效电源的同时,电池控制、监视也变得重要。
在此,将示例一种解决方案,其添加了一般且适合电池长期工作的电源配置及切断运输和不使用时的电源消耗的功能。

备注:关于锂一次电池
3.0V是二氧化锰型 / 3.6V是亚硫酰氯型

框图 要求項目 推荐产品 特征
Push Button Load SW
用于电源切断

所需规格
待机电流 0uA

其他

  • 产品出厂时关机状态
  • Push按钮一键启动
  • 长按Push按钮强制关闭
XC6194

按钮式智能负载开关

  • 关机功能使得出厂待机电流为1nA
  • 也可以用作设备的主开关
  • 可用于死机时的强制关机,也可通过UVLO功能防止液体泄漏

输入电压: 1.8~6.0V
输出电流: 1A
Iq: 0.001μA@关机时, 0.13μA@开机时
按住SHDN Pin或长按Push按钮(Type A)关机,Push按钮可开机

升压/LDO
用于RF/Sensor

所需规格
输出电压: 3.0V
输出电流: 50mA

其他

  • 通过MCU进行ON / OFF控制
  • 低噪声
XCL102 / XCL103
(XC9141 / XC9142)

线圈集成升压DC/DC,PWM(XCL102),PWM / PFM(XCL103)

  • 低纹波以及线圈一体型的低EMI,适用于RF/传感器
  • CE功能,只在RF/传感器运行时才提供电压
  • 最适用于高效率应用的是XC9141/XC9142(外部线圈)

输入电压: 0.9~6.0V
输出电压: 2.2V~5.5V
输出电流: 350mA (1.8V to 3.3V)
fosc: 3.0MHz

XC6233 (XC6215)

快速瞬态响应/高PSRR稳压器

  • 降低前段DC/DC的波纹
  • 适用于RF的高速瞬态响应
  • 100kHz以上噪声重要的应用可使用低功耗LDO,XC6215有可能更合适

输入电压: 1.7~5.5V
输出电压: 1.2V~3.6V
输出电流: 200mA

RESET
用于电池电压监控器

所需规格
检测电压: 2.0V
超低电流消耗

其他

  • 检测后也是低电流消耗
XC6136

超低消耗电压检测器

  • 100nA级,电池负担极小
  • 当电池电压与MCU相同时,CMOS输出最佳(XC6136 C型)

输入电压: 0.4~6.0V(可以保持检测状态的输入电压)
检测电压: 1.2V~5.0V
Iq: 117nA@1.8V

解决方案概要

关于升压IC

电路框图(a)是可将MCU直接连接到电池的情况。简单的IoT/安全/可穿戴/医疗的小型器件多为这种结构。
近年来,在1.8V~3.8V的大范围内工作的MCU越来越多,这种情况下,无需使用电源IC,即可直接连接到电池使用。
对此,RF和传感器需要3.3V的固定电压,即使工作电压宽也为了要满足规格,大多需要一定电压以上的电压,即需要升压IC。

RF和传感器不会一直工作,有时RF也会每天通信一次,而且是几秒钟。
此外,即使看起来像一直在工作,其实有很多情况是通过细致地ON/OFF控制降低消耗电流,使电池耐用。
为实现上述工作,在需要时,MCU将对RF和传感器的工作进行ON/OFF控制。
此外停止时,不仅会停止RF和传感器的功能,还会使升压IC及稳压器停止工作,可长时间使用电池。

要抑制工作时的纹波,使其噪声频率恒定,PWM固定型适合。
如果轻载的工作状态存在,则使用PWM/PFM转换(自动切换工作模式)型。此外,要抑制EMI,并使其小型化,线圈一体型适合。

升压 DC/DC
XCL102: PWM, 线圈一体型
XCL103: PWM/PFM, 线圈一体型
XC9141: PWM, 外置线圈
XC9142: PWM/PFM, 外置线圈

关于LDO

为了使RF和传感器的电源噪声更低,有时会在升压IC的后级使用稳压器。
具有高纹波抑制比/低噪声并且良好的负载瞬态响应特性的高速LDO最适合于消耗电流的陡峭变化的RF部位
此外,传感器用途中100kHz以上的噪声重要的情况下,也有高频噪声低的低消耗型比高速型更适合的情况。

稳压器
XC6233: 高速
XC6215: 低消耗

关于RESET IC

监视电池电压,电压下降时,向MCU发送信号。使用超低消耗型,抑制对电池的负担。
MCU的电源电压与正在监视的电压相同,所以可使用CMOS输出型。CMOS输出型无需上拉电阻,不会有流过上拉电阻的消耗电流。也减少零部件,
N沟开漏产品在电池电压下降时输出“L”时,使用的上拉电阻的会有电流流过消耗电流会增加,会影响电池寿命。

MCU中也有UVLO和A/D转换器等能监视电压的产品,作为低消耗电压监视和功能安全,MCU外部需要监视功能时,电压检测器很有用。

电压检测器
XC6136 C型: Iq~100nA (C型 : CMOS输出)

关于改善电池的耐久性的解决方案 / Push Button Load SW

电路框图(b)是一种通过添加Push Button负载开关,功能追加和大幅度改善电池的耐久性的解决方案。
为了共享MCU控制和按钮控制需要开关引脚右侧的SBD和MCU的VDD的上拉电阻是需要的。

Push Button 负载开关
XC6194: 1A SW内置
XC6193: 支持外置Pch驱动大电流

本解决方案具有以下很大的优点。

1.防止从产品出货到开始使用的电池放电

被称为“Storage模式”、“Ship模式”。
最适合不能拆卸电池的设备。此时的消耗电流几乎为0。
通过按下按钮,即可开始使用。当然,可与此IC共享MCU控制用的按钮。

2.可用作主电源ON-OFF开关

可用按钮代替机械开关进行ON-OFF。例如,最适合防水设备。
MCU可向SHDN引脚发送信号,并关闭Push Button负载开关。
此外,我们还准备了可通过长按按钮关闭Push Button负载开关的类型。

3.解除死机

设备死机等异常时,可有效利用长按按钮的OFF功能。选择长达5秒或10秒的类型误操作而关闭的可能性会降低,适用于死机对策。
关闭后,再次按下按钮即可使之正常启动。

并且Push Button负载开关作为对电池有益的功能,具有以下特点。

  • 通过冲击电流防止功能,抑制启动时的冲击电流
    启动完成后有PG引脚输出可起动使下一级电源IC和MCU工作。
  • 1.2V UVLO功能让Push botton负载开关进入Shutdown状态,有防止电池漏液的效果。
  • VOUT大幅下降时,通过输出短路保护功能进行Shutdown保护。

如上所述,即使是以直接连接到电池工作的MCU为核心的简单的IoT器件,稍微花点功夫就可进一步改善电池的耐久性和容易满足小型高灵敏度要求。

Li-ion Polymer互联网设备

虽然是电池工作,但传感器和通信的频率高且功能复杂的IoT器件大多使用Li-ion/Polymer二次电池。
对一次电池的充电控制和配合电源电压的超低消耗降压DCDC的追加是有代表性的电源解决方案。

框图 要求項目 推荐产品 特征
Charger
用于Li-ion/Polymer充电

所需规格
CV: 4.2V, CC: 200mA

其他

  • 使用内置电池NTC进行温度控制
XC6803 (XC6804 / XC6808 / XC6806)

线性锂电充电器

  • 简单的NTC充电控制使其适用于USB或其他5V充电
  • 充电电流可通过电阻设定
  • 根据充电电压,电流选择与引脚兼容的产品
    XC6803 (4.2V, 40~280mA), XC6804 (4.2V, 200~800mA), XC6808 (4.2V, 4.35V or 4.4V, 5~40mA)

输入电压: 4.5~6V
CV: 4.2V
CC: 40~280mA
温度监控:符合JEITA标准(其他3种类型)

降压 / LDO
用于MCU

所需规格
输出电压: 3.0V(启动时) / 1.8V(休眠时)
输出电流: 50mA

其他

  • 为MCU切换输出电压
  • 轻负载时(1μA至10μA)的高效率
XC9276 (XCL210)

超低功耗以及具备输出电压切换(VSET)功能的降压型DC/DC

  • 超低功耗 200nA
  • VSET功能根据MCU的状态进行输出电压切换(休眠时降低输出电压,实现低功耗)
  • 线圈一体型产品XCL210(无输出电压切换功能)

输入电压: 1.8~6.0V
输出电压: 0.6V~3.6V(可选择2种电压)
输出电流: 150mA
Iq: 200nA

XC6504

低功率输出无电容器稳压器

  • 良好的性价比/节省安装面积
  • 低功耗 0.6μA
  • 无需输出电容器

输入电压: 1.4~6.0V
输出电压: 1.1V~5.0V
输出电流: 150mA
Iq: 0.6μA

降压 / LDO
用于RF/Sensor

所需规格
输出电压: 3.0V
输出电流: 100mA

其他

  • 通过MCU控制ON/OFF
  • 低噪声
XC9281 / XC9282

超小型HiSAT-COT控制降压DC/DC,PWM(XC9281),PWM / PFM(XC9282)

  • 世界最小级别解决方案(3.52mm2
  • HiSAT-COT控制,适用于RF的高速瞬态响应要求
  • 高fosc,低波纹,适用于RF /传感器

输入电压: 2.5~5.5V
输出电压: 1.2V~3.6V
输出电流: 600mA
fosc: 4.0MHz, 6.0MHz

XCL221 / XCL222

线圈一体型HiSAT-COT控制降压DC/DC,PWM(XCL221),PWM / PFM(XCL222)

  • 低纹波以及线圈一体型的低EMI,适用于RF/传感器
  • HiSAT-COT控制,适用于RF的高速瞬态响应

输入电压: 2.5~5.5V
输出电压: 0.8V~3.6V
输出电流: 500mA
fosc: 1.2MHz

XC6233 (XC6215)

快速瞬态响应/高纹波消除稳压器

  • 低噪音,适用于RF/传感器
  • 出色的瞬态响应,适用于RF的电流变动
  • 对于100kHz以上噪声高的用途,低功耗稳压器XC6215可能更适合

输入电压: 1.7~5.5V
输出电压: 1.2V~3.6V
输出电流: 200mA

RESET
用于电池电压监控器

所需规格
检测电压: 3.0V
超低电流消耗

XC6136N (XC6135C)

超低功耗电压检测器

  • 100nA级别功耗,对电池负担极小
  • Li-ion/Polymer和MCU的电源电压不同,Nch开漏输出
  • 需要减少电流消耗,可选择检测端子分离(XC6135)的CMOS型

输入电压: 1.1~6.0V
检测电压: 1.2V~5.0V
Iq: 150nA@2.7V

Push Button Reboot

所需规格
长按Push按钮,重置MCU

XC6190

Push Button 重启控制器

  • 设备死机或其他异常时强制重置/重启
  • 通过长按一个或同时按住两个Push按钮来复位MCU
  • 可与MCU控制Push按钮通用
  • 未按下按钮时,几乎没有电流消耗

输入电压: 1.75~6.0V
重启延迟时间: 1~20 sec
Iq: 0.01μA(未按下按钮时)

解决方案概要

关于CHARGER IC

使用Li-ion/Polymer的IoT器件需要充电用电池充电IC和将电压降至MCU的电源电压范围内的降压DC/DC或稳压器。

首先,我将说明电池充电IC的用法。
充电电压(CV : Charge Voltage)和充电电流(CC : Charge Current)是基本选择。根据所需的充电电流,选择充电IC和电阻RISET。

电池充电IC
XC6808: 5mA ~ 40mA
XC6803: 40mA ~ 280mA
XC6804: 200 mA ~ 800 mA

本电路框的Li-ion/Polymer电池是内置NTC,外置PCM(电池保护电路)的情况。无论内置/外置都需要PCM。
关于NTC,如果没有内置在电池中,请注意放置场所并将其外置。
如果不需要NTC,请通过电池充电IC指定的方法处理NTC连接引脚。

这里显示充电状态的CSO引脚已用于向MCU发送充电情况。
CSO引脚为N沟开漏输出,已通过电阻上拉到MCU的电源,以使信号的“H”电平与MCU的I/O电压范围相匹配。
如果用LED显示充电状态,则通过限制电流用电阻驱动LED,使该电源从VIN获得。这是为了避免用充电IC供应的充电电流驱动LED。

VIN中放置了浪涌保护用TVS。因为是外部引脚,可能会有ESD等浪涌、及劣质USB适配器在无负载时也可能会产生相当高的电压,要用TVS和齐纳二极管采取对策。

此外,在充电的同时使用负载电流的情况、或一直供电5V,将Li-ion/Polymer电池用于备用时,可使用具有从VIN或电池两者输出提供适当电流的Current Path功能的高功能充电IC。

带Current Path和Shutdown 电池充电IC
XC6806

关于MCU专用降压DC/DC及LDO

Li-ion/Polymer电池高达CV = 4.2V或4.35V,一般来说,最大3.8V左右的MCU需要降压DC/DC或稳压器。
在IoT设备中,MCU许多期间在Sleep状态下工作,因此IOUT从μA级(Sleep时)到100mA以上(工作峰值时)必须高效。

通过将在超低消耗的同时搭载输出电压切换(VSET)功能的降压DC/DC用于此用途,可进一步改善电池的耐久性。
如果使用输出电压切换功能,即使使用电流相同也能降低工作电压,可大大降低功耗。
一般来说,MCU因内置的RF、模数和高速运算等,所以在工作时需要较高的电源电压,但可在Sleep时以最小电压工作。
例如,Sleep时通过将VOUT从3.0V降至1.8V,可减少MCU的功耗,大幅改善电池的耐久性。

降圧DC/DC
XC9276: Iq = 200nA, 输出电压切换功能
XCL210: 线圈一体型 Iq = 0.5μA (无输出电压切换功能)

如果要廉价配置解决方案,稳压器适合。
此外在可充电的应用程序中,即使是效率低下的稳压器,有时也会被判断没有问题而使用。

稳压器
XC6504: Iq = 0.6μA, 无需输出电容

关于RF/Sensor专用降压DC/DC及LDO

RF和传感器也因电池电压高而需要降压DC/DC和稳压器。
RF中重要的是低纹波且低EMI。此外,RF特别在发送时的电流变化陡峭,所以瞬态响应出色的HiSAT-COT控制适合。

降圧DC/DC
XC9281: PWM, 世界最小解决方案(3.52mm2)/低EMI
XC9282: PWM/PFM, 世界最小解决方案(3.52mm2)/低EMI
XCL221: 线圈一体型 PWM,1.2MHz/高效/低EMI
XCL222: 线圈一体型 PWM/PFM,1.2MHz/高效/低EMI

仅在需要MCU时,设CE=“H”,工作降压DC/DC,向RF和传感器供应电压使之工作。
停止时,不仅会停止RF和传感器的功能,也会停止降压DC/DC的工作,可使电池长时间使用。

要抑制工作时的纹波,使其噪声频率恒定,PWM固定型适合。
如果有轻载的工作状态,则使用PWM/PFM转换(自动切换工作模式)型。

如果要使用稳压器,高纹波抑制/低噪声且像RF一样的消耗电流变化陡峭的负载瞬态响应出色的高速LDO最适合。
此外,传感器用途中100kHz以上的噪声重要的情况下,会有高频噪声低的低消耗型比高速型更适合的情况

稳压器
XC6233: 高速
XC6215: 低消耗

关于RESET IC

使用超低消耗电压检测器可监视电池电压。
MCU的电源电压与检测的电池电压不同,因此要使用N沟开漏型,通过电阻上拉到MCU的电源电压,并将信号传递给MCU。
如果想降低检测后的上拉电阻消耗电流,将监测(VSEN)引脚从电源(VIN)引脚中分离,并使用CMOS输出型。
通过从MCU的电源电压获得电源,可使用CMOS输出型。

电压检测器
XC6136 N型: Iq~100nA (N型 : N沟开漏输出)
XC6135 C型: Iq~100nA,传感引脚分离型 (C型 : CMOS输出)

关于Push Button重启控制器

关于作为死机对策而附加的Push Button重启控制器。

Push Button重启控制器
XC6190

Li-ion/Polymer的IoT设备一般不能拆卸电池,所以需要在死机等设备异常时进行复位并使之重新启动的功能。
本例中有两个MCU控制用按钮,Push Button重启控制器与其共同使用。
死机时,同时持续按下两个开关,规定的时间过去后,RSTB下降到“L”,可复位MCU。RSTB为N沟开漏输出,因此将上拉到MCU的电源电压。
这里是向MCU发送了RESETB信号,另外也有例如控制驱动MCU电源的降压DC/DC的CE,通过长按RESET关闭DC/DC来强制重新启动的方法。

如上所述,通过配置最合适功能的IC,可实现简单而工业设备所需的低噪声、长寿命的高性能IoT设备

Close