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TI 白皮书《Iq:何谓 Iq 以及如何使用》

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2020-10-16 19:51 编辑

引言
     器件的静态电流即 IQ 是进行一个低功耗、高效能设计时很重要但却常常被误用的参数。许多电池供电型应用中,轻负载或者无负载待机状态下,电池提供的电流决定了系统的总运行时间。在集成开关转换器中,IQ 仅为该电池电流的一部分。本文将介绍 IQ 的定义,说明其测量方法,介绍何谓 IQ 以及不应使用它的情况,并说明避免常见测量误差的同时如何使用 IQ 的一些设计考虑。本文适用于所有德州仪器(TI)TPS61xxx、TPS62xxx 或者 TPS650xx 器件。
何谓 IQ
        除非说明书中专门说明,否则所有 IQ 的定义都为:无负载、非开关但却有效的状态下由 IC 吸取的电流。“无负载”是指无电流让 IC 输出。一般而言,它是通过降压转换器上SW 引脚,或者通过升压转换器上VOUT 引脚输出的电流。所有IQ 都只通过 IC 内部流向接地。“非开关”是指 IC 中无电源开关为开启状态(关闭)。它包括主开关或者控制开关,如果两者都集成到IC 中,则还包括同步整流器。换句话讲,IC 处于一种高阻抗状态下,其具有一个与输出端彻底断开的功率级(一些无法关闭器件上的集成 MOSFET 体二极管除外)。“有效”是指 IC 通过其 EN 引脚开启,而未处在 UVLO 或者其它关闭状态下。IQ 测量工作电流,而非关机电流,因此器件必须为开启状态。最后,IQ 仅在省电模式下才有意义,因此如果这种模式为特殊器件的某个选项,则其必须有效。如果器件运行在脉宽调制 (PWM) 模式,则功率级输入电流和开关损耗,明显减少电流量,即运行该器件所需的 IQ。

        IQ 根本上而言来自于两种输入:VIN 和 VOUT。说明书规定了 IQ 是否来自于任意一个或者两个引脚。图 1 显示了 TI TPS61220/21/22 说明书规定的 IQ 规范,1TI TPS61220/21/22 均为升压转换器,从 VIN 和 VOUT 拉取其 IQ。一般而言,降压转换器仅从其输入拉取 IQ,而升压转换器或者降压转换器则同时从输入和输出端拉取 IQ。IQ 对操作器件基本功能所需的电流进行测量,其包括为诸如内部精密基准电压、振荡器、热关机或者 UVLO 电路、器件状态机或者其它逻辑门等供电。IQ 并不包括功率级或者栅极驱动器的任何输入电流,因为它是在一种非开关状态测量得到的,这种状态下电流为零。这种状态下测量 IQ 的原因是其只依赖于 IC,而功率级输入电流和栅极驱动电流依赖于所选择的外部组件,其在大多数情况下规定了IC 在其省电模式下开关的频率。因此,IQ 为一种 IC 测量,而包括其它两种电流的测量为一种系统测量。TI 无法控制,也不能保证这种系统测量,但可以控制和规定 IC 测量。实际上,TI 保证 IQ 规范,同时对于那些说明书规定了IQ 最大值的器件而言,TI 进行逐个测试,并对所生产的每个器件进行测试。测试过程包括:激活器件,将其设置到说明书规定的测试条件,然后人为地升高(从外部施加电压)输出电压、FB 引脚电压和所有其它引脚电压,升高至足以让 IC不开关。无负载,并激活省电模式(如果有效的话)以后,IC 的输入电流变为IQ。
被误解的 IQ
        IQ 不是无负载输入电流。如前所述,IQ 只是操作 IC 基本功能所需的“开销”电流。它不包括功率级的输入电流(实际转至输出端的电流),或者操作栅极驱动器所需的电流。即使在无负载状态下,器件仍然进行开关操作,以保持输出稳定。一些损耗始终存在于输出端,例如:用于设置输出电压的分压器所产生的损耗;进入负载或者通过输出电容的漏电流;上拉电阻器等。由于这些损耗会在输出电容引起电压衰减,因此IC 必须频繁地开关,以弥补功率损失。这样,无负载输入电流测量,便违反了IC 必须在非开关状态下,以及无电流让IC 再充电VOUT
的规定。例如,图2 显示了TPS61220 升压转换器的无负载工作情况,其输入电压为1.2 V,输出电压为3.3 V。IC 约1.75 ms 开关一次,以调节输出电压。该间隔时间取决于VIN、VOUT 和外部组件,并影响所拉取平均电流的大小。阶段#1期间,IC 正在开关—高端MOSFET 或者同步整流MOSFET 为开。输入电流由进入功率级的电流主导,其平均约为7 mA(电感峰值电流的一半)。

image-20201016193151-1.png             图 3 显示了阶段#1 的大图。一旦输出电压降至阈值以下,TPS61220 便通过开启控制 MOSFET 开始一个开关脉冲。SW 引脚变低,引起电感电流斜线上升。之后,它关闭控制 MOSFET,然后开启整流 MOSFET,从而让电流流至输出端。该能量进入输出电容时,输出电压上升。电感电流达到零时,所有能量传输至输出端;这样,整流 MOSFET 关闭,且 IC 转入睡眠模式(阶段#2)。这时,两个 MOSFET 都为关闭(开),因此 SW 引脚处在高阻抗状态下。电感和该引脚的寄生电容振铃,直到它达到其 DC 值,即等于输入电压。阶段 #2 期间,IC 为高阻抗,同时输出电压因输出端漏电下降。由于 IC 没有正在实施开关操作,这一时间段期间 IC 消耗的电流为IQ。通过计算平均输入电流,阶段#1 和#2 定义一个开关时间段。由于开关期间(阶段#1)的高输入电流,这一时间的平均输入电流必须高于 IC 的 IQ。但是,由于阶段 #1 的持续时间非常短,平均输入电流一般稍大于 IQ 引起的输入电流。


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image-20201016193536-1.png image-20201016193601-2.png image-20201016193628-3.png        

        为了解决IQ 和无负载输入电流之间存在的这种差异,一些IC 的说明书在电气特性表中都有无负载输入电流的典型规范。其它IC 说明书有一些显示特定电路无负载输入电流的图。图4 显示了选自TPS61220/21/22 说明书的一个图。

1 . 另外,图5 显示了电气特性表中的IQ 规范。该表选自TI TPS62120/22 的说明书,

2 .TITPS62120/22 为高效率降压转换器。13 μA 典型规范,只对规定的具体测试条件有效。使用TPS61220 和TPS62120 时,需注意:无负载输入电流高于IC 的IQ。图4 显示了TPS61221 升压转换器的无负载输入电流为20 μA,并且VIN 为1.2V,VOUT 为3.3V。这一结果高于相同测试条件下,VOUT 的5 μA 图1 所示IQ,以及VIN 的0.5 μA 图1 所示IQ。本文第3 项“设计考虑”,将解释出现这种差异的原因。


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本帖最后由 qwqwqw2088 于 2020-10-16 19:47 编辑

如何使用 IQ
        了解IQ,可帮助设计人员比较不同IC 的低功耗性能。但是,IC 的IQ 仅为系统输入电流的组成部分,其受三方面影响:每种IC 的内部设计(其IQ),每种IC 周围的外部组件,以及总系统配置。由于输入电流是这三项的组合,因此IQ 损耗可能是也可能不是某个特定系统的主要损耗,同时可能是也可能不是电池工作时间的决定因素。
       如果终端应用真正地在无输出负载条件下操作IC,则IQ 更低的IC 一般具有更低的无负载输入电流,从而带来更长的电池工作时间。这种情况的假设条件是两种IC 都具有省电模式,且其处于有效状态。但是,不同的IC,省电模式的工作情况也不同,从而产生明显不同的无负载输入电流。

image-20201016194208-1.png image-20201016194225-2.png        

        如果应用不是运行在无负载状态下,而是工作在“待机”或者“睡眠”模式下(这两种模式下处理器或者另一种负载仍然拉取一些电流),则IQ 的有效性迅速降低。要证明这一点,可考虑使用TPS62120 为TI MSP430™和其它电路供电,2V 下时其总消耗电流为100 μA。8-V 输入时,TPS62120 的工作效率为60%(参见图62),产生的输入电流为: image-20201016194711-1.png
该输入电流包括IQ(11μA),其为总输入电流中非常大的一部分(约占26%)。但是,如果待机负载增加至1mA,则8V 时的输入电流为: image-20201016194729-2.png
        现在,11 μA 的IQ 便微不足道(约占3.5%)。若想准确地估算系统待机模式的输入电流,我们必须要知道拉取的负载电流。只使用IQ 代替这种轻负载输入电流,并不能准确地估算拉取的电池电流。说明书的效率曲线图表明了总电路效率,并包括IQ 损耗。因此,IQ 损耗不应加到曲线图中的损耗。
设计考虑
      测量IQ 值或者从说明书获取IQ 值时,会犯很多的错误。下列五个考虑因素,可以帮助设计人员避免犯这些错误。
1、IC 的IQ 无法修改。无法从IC 外部影响IQ。IQ 随输入电压和温度而变化,但IC 内部电路的行为决定这种变化。如果IC 工作在强制PWM 模式下,或者给输出端施加一个负载,则IQ 不再适用于该电路,而输入电流变为适用。在应用中,有许多方面可以影响输入电流,但却无法影响IQ。
2、需要考虑指定工作条件。IQ 仅指定用于IC 的建议工作条件和某些测试状态,特别是输入电压和输出电压。对任何IC 而言,输入电压高于建议最大值(但低于绝对最大值)或者输入电压低于建议最小值(但高于UVLO 水平)。就降压转换器而言,仅当输入电压大于输出电压且器件未处在压降状态(100%模式)时,IQ 才有效。就升压转换器而言,输入电压必须低于输出电压,这样IC 才能不处在掉电模式下。


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3、输入电流通常连接至输出。大部分的同步升压IQ 通常都来自于输出电压。由于这种功率最终必定都来自于输入,因此无负载状态的输入电流大大高于IQ,这是因为升压转换器的输入电流必须大于其输出电流。可考虑使用TPS61220,其能够将1.2V 电压升压至3.3V。VOUT 的IQ 为5 μA,以及VIN 的IQ 为0.5 μA 时,且假设转换效率为100%,则IQ 的输入电流为: image-20201016194934-1.png
由于非IQ 损耗的存在,例如:开关损耗和栅极驱动损耗等等,无负载条件下电路实际拉取约20 μA 的输入电流(如图4 所示)。重要的是,这20 μA 的输入电流远大于IC 的IQ(5.5 μA),因为TPS61220 这种升压转换器从输出电压拉取了大多数其IQ。
4、查找所有可能的输入电流路径。在某个评估模块(EVM)或者其它板上对IQ进行测量时,设计人员应该确保板输入电流完全进入到IC,而不是板上其它地方。由于较小的IQ 值,电容或者其它器件的漏电(即使器件处于关闭状态),也可能会非常的大,同时可能会影响电路板的输入电流。另外,在一些EVM 和大多数终端设备板上,输入电压或者输出电压被路由至上拉电阻器、指示LED,或者其它在某些状态下会灌入电流的器件。很明显,拉取的这种电流并非为IC IQ的组成部分。最后,IC 的IQ 作为一种系统参数,其并不那么重要,因为总输入
电流才是我们真正需要的;另外,其在规定测试状态下可轻松测得。
5、测量方法差异巨大。若想准确地测量省电模式下的低功耗输入电流或者效率,遵循“参考文献3”详情介绍的测试步骤至关重要。
结论
        IQ 是现代低功耗DC/DC 转换器的一种重要IC 设计参数,其部分定义轻负载状态下拉取自电池的电流。IQ 不是IC 的无负载输入电流,因为IC 仅在无负载、激活和非开关状态下消耗IQ 电流。由于输出端的漏电,IC 必须进行开关,以保持输出电压稳定。设计人员应该测量并使用系统的无负载输入电流,而不是将IC 的IQ 作为拉取电池电流的估算结果。估算拉取电池电流的一种更好方法是,定义系统处于低功耗模式下时的系统负载,然后测量该操作点拉取的实际电池电流。通过这样做而非只使用IQ,我们可以准确地预计电池工作时间。
参考文献
更多本文相关信息,请访问www.ti.com/lit/litnumber并用具体的TI Lit. #替换
“litnumber”,以便下载Acrobat® Reader®文件,获取下面列出的资料。
文件标题
文献标题
TI Lit. #
1、TPS61220/21/22 说明书的《6 引脚SC-70 封装的低输入电压增高转换器》
slvs776
2 、TPS62120/22 说明书的《15V 、75mA 高效降压转换器》
slvsad5
3、《应用报告》的《进行准确的PFM 模式效率测量》,作者:Jatan Naik
slva236
相关网站
power.ti.com
www.ti.com/sc/device/TPS61220
www.ti.com/sc/device/TPS62120


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