低消費電力アプリケーションで低静止電流 (IQ) の課題を克服
このリソースの元の言語は英語です。 翻訳は概要を便宜的に提供するもので、自動化ツール (機械翻訳) を使用していることがあり、TI では翻訳の正確性および妥当性につきましては一切保証いたしません。 実際の設計などの前には、ti.com で必ず最新の英語版をご参照くださいますようお願いいたします。
消費電力の削減とバッテリ寿命の管理にとって、静止電流 (IQ) の最小化は重要な要因の 1 つです。IoT (モノのインターネット) センサ・ノードは、バッテリ動作時間の延長のために静止電流 (IQ) を最小化することの重要性を示す適切な例の 1 つです。たとえば、図 1 に示す低消費電力 IoT アプリケーションで、SimpleLink™ マイコンは Bluetooth® と Wi-Fi® 接続の一方または両方を使用してドア・ロックを制御しています。
この種のシステムは図 2 に示すように大半の時間 (99% 超過) をスタンバイ・モードで過ごすので、スタンバイ・モードまたはスリープ・モードの静止電流 (IQ) がバッテリ動作時間の制限要因となる傾向があります。低静止電流 (IQ) のパワー・マネージメント・ブロックを注意深く最適化すると、バッテリ動作時間をたとえば 2 年から 5 年以上にまで延長できる可能性があります。
これまで長い間、スタンバイ時の静止電流 (IQ) が懸案になっていましたが、従来のソリューションは限られた範囲の低消費電力システムに限定されていました。最近の革新によって、DC/DC コンバータ、パワー・スイッチ、低ドロップアウト・レギュレータ (LDO)、スーパーバイザなどの各種パワー・マネージメント・ビルディング・ブロックの静止電流 (IQ) は減少してきました。その結果、これらのブロックの用途が、産業用メーター・アプリケーション、車載センサ、パーソナル・ウェアラブルなどの最終製品に広がっています。
図 1 スマート電子ロックのブロック図
図 2 スマート電子ロックの時間軸に沿った電流消費量
図 3 5V LDO の静止電流 (IQ) の変化図 3 に示すように、5V LDO の静止電流 (IQ) は、最近 10 年間にわたって、3 年ごとに約 90% の割合で減少を続けています。回路の改善と最適化済みのプロセス・テクノロジーによって、ソリューションの面積縮小や過渡ノイズ特性の向上と同時に、静止電流 (IQ) の減少も実現できています。
概要
このホワイト・ペーパーは、静止電流 (IQ) の低減というニーズ、および関連する課題と解決策について説明します。
静止電流 (IQ) に寄与する要素
静止電流 (IQ) とは、集積回路 (IC) が有効になっているが、スイッチングを実施していない、さらに外部負荷の電流を取り扱っていない状態で消費する電流の量を意味します。シャットダウン電流 (ISHDN) とは、デバイスが無効になっているときに電源から引き出す電流の量を意味します。
電源レギュレータなど、常時オンになっている機能の静止電流 (IQ) は、スタンバイ時間の長いシステムでは全体的な静止電流 (IQ) に大きく寄与します。電源レギュレータ自体の内部では、電圧リファレンス、誤差アンプ、出力電圧デバイダ、保護回路のいずれにも固有の動作電流があります。
バッテリまたは電源から引き出す合計静止電流 (IQ) を判定するために考慮する必要があるのは、常時オンの各種機能と、コンデンサ、抵抗、インダクタからのリーク源です。
スイッチング・コンバータの IQ については、いくつかの区別を行う必要があります。スイッチング・コンバータは通常、パワー・セーブ・モードを搭載しており、スイッチングを実施しない期間をより長くすることができます。その結果、平均静止電流 (IQ) を低減できます。ただし、静止電流 (IQ) は、スイッチング電流や、電圧出力 (VOUT) から引き出す電流の効率成分を含んでいません (図 4 に示す昇圧コンバータの例を参照)。そのため、大半のレギュレータに適用できるように、次の式 1 を使用して、入力を基準とする無負荷時動作電流のスーパーセット (より含有成分の多い包括的な値) を計算することができます。
電流と電圧は、図 4 で説明しています。ここで、
- IQ (VIN) は、VIN を基準とする静止電流 (IQ) (IC のデータシートに掲載の値) です。
- ILeakage(VIN) は、VIN ピンでコンデンサ、インダクタ、ダイオード、またはスイッチから引き出されるリーケージ電流です。
- VOUT は出力電圧です。
- VIN は、バッテリ電圧 (LDO、昇圧コンバータ、または昇降圧コンバータに与えられる入力電圧) です。
- ƞ1 は、コンバータがスイッチングを実施しているときの DC/DC の効率です。
- IQ (VOUT) は、スイッチング・コンバータの VOUT ピンから引き出される静止電流 (IQ) です。LDO の場合、IQ (VOUT) = 0 です。
- IFB は、該当する場合、帰還抵抗デバイダを流れる電流です。
- ILoad は、スタンバイ・モード中に VOUT に流れる可能性のある負荷電流です。
図 4 昇圧コンバータ・システム内の電流バッテリの容量がわかっていて、入力を基準とするスタンバイ電流をすでに計算した場合、式 2 を使用して、99.9% 以上の時間がスタンバイ・モードになっている低消費電力システムで、デューティ・サイクルが大きい場合のバッテリ動作時間を推定することができます。
たとえば、スタンバイ電流が 1.2μA であるデューティ・サイクル型システムのバッテリは、100mAh のコイン・セル・バッテリを使用する場合、8.7 年の持続が可能です。
