小型IoT模塊以監(jiān)視狀態(tài)、環(huán)境并進行通信為主要功能，多用于工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療、家庭自動化等。 主要由各種傳感器、MCU及無線通信構(gòu)成，要求用小型電池長期工作。

一次電池物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

許多小型IoT器件要求用一次電池長期工作。

因此，在為傳感器、MCU、無線通信各功能供應(yīng)超低消耗工作且高效電源的同時，電池控制、監(jiān)視也變得重要。

在此，將示例一種解決方案，其添加了一般且適合電池長期工作的電源配置及切斷運輸和不使用時的電源消耗的功能。

備注：關(guān)于鋰一次電池

3.0V是二氧化錳型　/　3.6V是亞硫酰氯型

解決方案概要

關(guān)于升壓IC

電路框圖(a)是可將MCU直接連接到電池的情況。簡單的IoT/安全/可穿戴/醫(yī)療的小型器件多為這種結(jié)構(gòu)。

近年來，在1.8V～3.8V的大范圍內(nèi)工作的MCU越來越多，這種情況下，無需使用電源IC，即可直接連接到電池使用。

對此，RF和傳感器需要3.3V的固定電壓，即使工作電壓寬也為了要滿足規(guī)格，大多需要一定電壓以上的電壓，即需要升壓IC。

RF和傳感器不會一直工作，有時RF也會每天通信一次，而且是幾秒鐘。

此外，即使看起來像一直在工作，其實有很多情況是通過細致地ON/OFF控制降低消耗電流，使電池耐用。

為實現(xiàn)上述工作，在需要時，MCU將對RF和傳感器的工作進行ON/OFF控制。

此外停止時，不僅會停止RF和傳感器的功能，還會使升壓IC及穩(wěn)壓器停止工作，可長時間使用電池。

要抑制工作時的紋波，使其噪聲頻率恒定，PWM固定型適合。

如果輕載的工作狀態(tài)存在，則使用PWM/PFM轉(zhuǎn)換(自動切換工作模式)型。此外，要抑制EMI，并使其小型化，線圈一體型適合。

升壓?DC/DC

• XCL102: PWM, 線圈一體型

• XCL103: PWM/PFM, 線圈一體型

• XC9141: PWM, 外置線圈

• XC9142: PWM/PFM, 外置線圈

關(guān)于LDO

為了使RF和傳感器的電源噪聲更低，有時會在升壓IC的后級使用穩(wěn)壓器。

具有高紋波抑制比/低噪聲并且良好的負載瞬態(tài)響應(yīng)特性的高速LDO最適合于消耗電流的陡峭變化的RF部位

此外，傳感器用途中100kHz以上的噪聲重要的情況下，也有高頻噪聲低的低消耗型比高速型更適合的情況。

穩(wěn)壓器

• XC6233: 高速

• XC6215: 低消耗

關(guān)于RESET IC

監(jiān)視電池電壓，電壓下降時，向MCU發(fā)送信號。使用超低消耗型，抑制對電池的負擔。

MCU的電源電壓與正在監(jiān)視的電壓相同，所以可使用CMOS輸出型。CMOS輸出型無需上拉電阻，不會有流過上拉電阻的消耗電流。也減少零部件，N溝開漏產(chǎn)品在電池電壓下降時輸出“L”時，使用的上拉電阻的會有電流流過消耗電流會增加，會影響電池壽命。

MCU中也有UVLO和A/D轉(zhuǎn)換器等能監(jiān)視電壓的產(chǎn)品，作為低消耗電壓監(jiān)視和功能安全，MCU外部需要監(jiān)視功能時，電壓檢測器很有用。

電壓檢測器

• XC6136 C型: Iq～100nA (C型 : CMOS輸出)

關(guān)于改善電池的耐久性的解決方案 / Push Button Load SW

電路框圖(b)是一種通過添加Push Button負載開關(guān)，功能追加和大幅度改善電池的耐久性的解決方案。

為了共享MCU控制和按鈕控制需要開關(guān)引腳右側(cè)的SBD和MCU的VDD的上拉電阻是需要的。

Push Button 負載開關(guān)

• XC6194: 1A SW內(nèi)置

• XC6193: 支持外置Pch驅(qū)動大電流

本解決方案具有以下很大的優(yōu)點。

1、防止從產(chǎn)品出貨到開始使用的電池放電

被稱為“Storage模式”、“Ship模式”。

最適合不能拆卸電池的設(shè)備。此時的消耗電流幾乎為0。

通過按下按鈕，即可開始使用。當然，可與此IC共享MCU控制用的按鈕。

2、可用作主電源ON-OFF開關(guān)

可用按鈕代替機械開關(guān)進行ON-OFF。例如，最適合防水設(shè)備。

MCU可向SHDN引腳發(fā)送信號，并關(guān)閉Push Button負載開關(guān)。

此外，我們還準備了可通過長按按鈕關(guān)閉Push Button負載開關(guān)的類型。

3、解除死機

設(shè)備死機等異常時，可有效利用長按按鈕的OFF功能。選擇長達5秒或10秒的類型誤操作而關(guān)閉的可能性會降低，適用于死機對策。

關(guān)閉后，再次按下按鈕即可使之正常啟動。

并且Push Button負載開關(guān)作為對電池有益的功能，具有以下特點。

• 通過沖擊電流防止功能，抑制啟動時的沖擊電流

  啟動完成后有PG引腳輸出可起動使下一級電源IC和MCU工作。

• 1.2V UVLO功能讓Push botton負載開關(guān)進入Shutdown狀態(tài)，有防止電池漏液的效果。

• VOUT大幅下降時，通過輸出短路保護功能進行Shutdown保護

如上所述，即使是以直接連接到電池工作的MCU為核心的簡單的IoT器件，稍微花點功夫就可進一步改善電池的耐久性和容易滿足小型高靈敏度要求。

Li-ion Polymer互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

雖然是電池工作，但傳感器和通信的頻率高且功能復雜的IoT器件大多使用Li-ion/Polymer二次電池。

對一次電池的充電控制和配合電源電壓的超低消耗降壓DCDC的追加是有代表性的電源解決方案。

解決方案概要

關(guān)于CHARGER IC

使用Li-ion/Polymer的IoT器件需要充電用電池充電IC和將電壓降至MCU的電源電壓范圍內(nèi)的降壓DC/DC或穩(wěn)壓器。

首先，我將說明電池充電IC的用法。

充電電壓(CV : Charge Voltage)和充電電流(CC : Charge Current)是基本選擇。根據(jù)所需的充電電流，選擇充電IC和電阻RISET。

電池充電IC?

• XC6808: 5mA ~ 40mA

• XC6803: 40mA ~ 280mA

• XC6804: 200 mA ~ 800 mA

本電路框的Li-ion/Polymer電池是內(nèi)置NTC，外置PCM(電池保護電路)的情況。無論內(nèi)置/外置都需要PCM。

關(guān)于NTC，如果沒有內(nèi)置在電池中，請注意放置場所并將其外置。

如果不需要NTC，請通過電池充電IC指定的方法處理NTC連接引腳。

這里超10萬種現(xiàn)貨元器件，一件也發(fā)貨，來唯樣商城購正品顯示充電狀態(tài)的CSO引腳已用于向MCU發(fā)送充電情況。

CSO引腳為N溝開漏輸出，已通過電阻上拉到MCU的電源，以使信號的“H”電平與MCU的I/O電壓范圍相匹配。

如果用LED顯示充電狀態(tài)，則通過限制電流用電阻驅(qū)動LED，使該電源從VIN獲得。這是為了避免用充電IC供應(yīng)的充電電流驅(qū)動LED。

VIN中放置了浪涌保護用TVS。因為是外部引腳，可能會有ESD等浪涌、及劣質(zhì)USB適配器在無負載時也可能會產(chǎn)生相當高的電壓，要用TVS和齊納二極管采取對策。

此外，在充電的同時使用負載電流的情況、或一直供電5V，將Li-ion/Polymer電池用于備用時，可使用具有從VIN或電池兩者輸出提供適當電流的Current Path功能的高功能充電IC。

帶Current Path和Shutdown 電池充電IC

XC6806

關(guān)于MCU專用降壓DC/DC及LDO

Li-ion/Polymer電池高達CV = 4.2V或4.35V，一般來說，最大3.8V左右的MCU需要降壓DC/DC或穩(wěn)壓器。

在IoT設(shè)備中，MCU許多期間在Sleep狀態(tài)下工作，因此IOUT從μA級(Sleep時)到100mA以上(工作峰值時)必須高效。

通過將在超低消耗的同時搭載輸出電壓切換(VSET)功能的降壓DC/DC用于此用途，可進一步改善電池的耐久性。

如果使用輸出電壓切換功能，即使使用電流相同也能降低工作電壓，可大大降低功耗。

一般來說，MCU因內(nèi)置的RF、模數(shù)和高速運算等，所以在工作時需要較高的電源電壓，但可在Sleep時以最小電壓工作。

例如，Sleep時通過將VOUT從3.0V降至1.8V，可減少MCU的功耗，大幅改善電池的耐久性。

降圧DC/DC

• XC9276: Iq = 200nA, 輸出電壓切換功能

• XCL210: 線圈一體型 Iq = 0.5μA (無輸出電壓切換功能)

如果要廉價配置解決方案，穩(wěn)壓器適合。

此外在可充電的應(yīng)用程序中，即使是效率低下的穩(wěn)壓器，有時也會被判斷沒有問題而使用。

穩(wěn)壓器

• XC6504: Iq = 0.6μA, 無需輸出電容

關(guān)于RF/Sensor專用降壓DC/DC及LDO

RF和傳感器也因電池電壓高而需要降壓DC/DC和穩(wěn)壓器。

RF中重要的是低紋波且低EMI。此外，RF特別在發(fā)送時的電流變化陡峭，所以瞬態(tài)響應(yīng)出色的HiSAT-COT控制適合。

降圧DC/DC

• XC9281: PWM, 世界最小解決方案(3.52mm2)/低EMI

• XC9282: PWM/PFM, 世界最小解決方案(3.52mm2)/低EMI

• XCL221: 線圈一體型 PWM，1.2MHz/高效/低EMI

• XCL222: 線圈一體型 PWM/PFM，1.2MHz/高效/低EMI

僅在需要MCU時，設(shè)CE=“H”，工作降壓DC/DC，向RF和傳感器供應(yīng)電壓使之工作。

停止時，不僅會停止RF和傳感器的功能，也會停止降壓DC/DC的工作，可使電池長時間使用。

要抑制工作時的紋波，使其噪聲頻率恒定，PWM固定型適合。

如果有輕載的工作狀態(tài)，則使用PWM/PFM轉(zhuǎn)換(自動切換工作模式)型。

如果要使用穩(wěn)壓器，高紋波抑制/低噪聲且像RF一樣的消耗電流變化陡峭的負載瞬態(tài)響應(yīng)出色的高速LDO最適合。

此外，傳感器用途中100kHz以上的噪聲重要的情況下，會有高頻噪聲低的低消耗型比高速型更適合的情況。

穩(wěn)壓器

• XC6233: 高速

• XC6215: 低消耗

關(guān)于RESET IC

使用超低消耗電壓檢測器可監(jiān)視電池電壓。

MCU的電源電壓與檢測的電池電壓不同，因此要使用N溝開漏型，通過電阻上拉到MCU的電源電壓，并將信號傳遞給MCU。

如果想降低檢測后的上拉電阻消耗電流，將監(jiān)測(VSEN)引腳從電源(VIN)引腳中分離，并使用CMOS輸出型。

通過從MCU的電源電壓獲得電源，可使用CMOS輸出型。

電壓檢測器

• XC6136 N型: Iq～100nA (N型 : N溝開漏輸出)

• XC6135 C型: Iq～100nA，傳感引腳分離型 (C型 : CMOS輸出)

關(guān)于Push Button重啟控制器

關(guān)于作為死機對策而附加的Push Button重啟控制器。

Push Button重啟控制器

• XC6190

Li-ion/Polymer的IoT設(shè)備一般不能拆卸電池，所以需要在死機等設(shè)備異常時進行復位并使之重新啟動的功能。

本例中有兩個MCU控制用按鈕，Push Button重啟控制器與其共同使用。

死機時，同時持續(xù)按下兩個開關(guān)，規(guī)定的時間過去后，RSTB下降到“L”，可復位MCU。RSTB為N溝開漏輸出，因此將上拉到MCU的電源電壓。

這里是向MCU發(fā)送了RESETB信號，另外也有例如控制驅(qū)動MCU電源的降壓DC/DC的CE，通過長按RESET關(guān)閉DC/DC來強制重新啟動的方法。

如上所述，通過配置最合適功能的IC，可實現(xiàn)簡單而工業(yè)設(shè)備所需的低噪聲、長壽命的高性能IoT設(shè)備。