整合式開/關控制器如何提升系統能效

摘要

本文將介紹如何運用開/關控制器和電池保鮮密封件整合解決方案，使產品設計在操作和生產過程中更加高效，並詳細介紹ADI整合式開/關控制器在節能特性、精巧尺寸和高ESD額定值方面的優勢。

簡介

在疫情影響下，高度仰賴線上資源的混合辦公模式加速普及，電子系統成為了不可或缺的工具。此外，聯合國提出2030永續發展議程¹，電子產業正持續實踐永續發展工作，使得電子系統效率的重要性日益突顯。基於上述要求，業界在現場操作期間及生產製造過程中，均須採取各種措施來提升能效 ²。

利用開⁄關控制器促進能效提升

高效利用資源對於實現永續發展目標十分重要¹ 。我們可以透過多種方式來有效利用資源。比較簡單的方法，是在不使用電子裝置時將其關閉，以避免不必要的能源消耗。另一種有效的方法，則是透過建立節能機制來實現高效可靠的設計。

開/關控制器，尤其是那些可以用於電池保鮮密封件的控制器，是實現這些目標的得力助手。在不使用電路時，這種控制器會斷開整個電路與電池的連接，有助於延長電池壽命並節約能源³。這不僅可以延長產品的保存期限，還能盡可能降低待機功耗，減少不必要的電池放電，進而減少能源浪費。

以下內容將介紹此類控制器如何透過工作模式、整合特性和穩健性協助節約能源。

透過待機模式和休眠模式減少能源浪費

消費性電子裝置經常遇到的一個問題，是現成的產品常常電池電量不足，使用前需充電或更換電池，這可能造成能源使用效率低下，同時用戶體驗也會大打折扣。

為了解決這個問題，高效的電池供電裝置會採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/關控制器的功能，可以透過斷開電池與下游電路的連接來防止電池放電，而在收到電路致能訊號（例如來自按鈕的訊號）後進行連接，如圖1所示 ^{3, 4}。此種電路工作模式通常稱為運輸模式或待機模式，其中後者更為通用，而前者則是專門用於描述產品首次使用前的狀態。

然而，即便使用電池保鮮密封件，電池還是會慢慢耗盡電量，導致系統效率受影響。耗電的程度取決於電路的待機能耗。能耗較低的元件有助於解決這個問題。例如新型MAX16169等具有電池保鮮密封件的按鈕控制器，這些元件的待機電流額定值僅為幾nA，如圖1所示。

按下按鈕後，電池就會連接到負載。以圖1為例，電池將連接到微控制 (MCU)、安全數位(SD)模組和全球定位系統(GPS)模組。此外， MAX16163/MAX16164中的休眠模式也有助於進一步延長電池壽命。這些元件會週期性地在特定時間打開和關閉系統，定期喚醒系統中的元件，待其完成任務後，再次進入休眠模式。對於裝置間歇運行的物聯網(IoT)等無線監控應用，此特性非常實用 5 ，可以透過降低待機期間的功耗，提升整體效率。圖2顯示了休眠模式（即SLEEP_TIMER狀態）下如何降低功耗；當電池連接到系統時（如圖1所示），則會出現ACTIVE_STATE。

透過整合式解決方案實現去實體化

PCB製造的最佳實踐包括負責任的資源管理 ⁶ 。這包括採取去實體化措施，即在電源中使用更少、更小、更輕的電子元件²。為此，我們可以選擇單一封裝中包含多個功能的元件，進而減少所需PCB的尺寸，而降低最終產品製造的能源消耗。例如，圖3中MAX16150 和MAX16169整合了負載開關和按鈕去抖功能，而 MAX16163/MAX16164還增加了時序功能。請注意，MAX16150和MAX16169 的方框圖非常相似。

此外，傳統方法通常使用即時時脈、負載開關和按鈕控制器來實現，圖4的整合解決方案將對此加以改進。MAX16163/MAX16164整合解決方案不僅能夠將解決方案尺寸縮小60%，而且在保持相同功能的前提下，還能將電池壽命延長20%⁵。

藉由高ESD額定值元件提升系統級穩健性

在積體電路中加入靜電放電(ESD)保護電路，對於確保電路在惡劣環境下的可靠性十分重要。這些電路需要連續穩定地運行，因此需要足夠的保護來抵禦外部湧浪 ⁷。系統設計人員透過ESD測試方法來評估產品的抗靜電性能，例如人體模型(HBM)方法用於元件級ESD測試，而IEC 61000-4-2模型用於系統級測試 ⁸。

元件級ESD測試目的在確保IC在製造過程中不會受到靜電放電的損壞。HBM模擬帶電人體接觸IC的場景，將具有潛在破壞力的ESD透過IC釋放到地面。系統級ESD測試目的在確保元件能夠在各種實際應用中的工作條件下承受瞬態事件，包括防雷。為了滿足此要求，所發表的產品必須按照IEC 61000-4-2 ESD標準模擬實際瞬態條件，並進行嚴格的測試。雖然HBM和IEC 61000-4-2 ESD測試方法均是模擬帶電人體放電至電子系統的場景，但IEC 61000-4-2標準在許多層面與元件級ESD有所不同⁸。

表1顯示，HBM測試中的峰值電流是IEC 61000-4-2測試中的脈衝電流的1/5.6。在衝擊次數方面，元件級HBM測試僅需要一次正衝擊和一次負衝擊，而系統級IEC 61000-4-2則要求IC至少經過10次正衝擊和10次負衝擊才能通過 ⁸ 。這表示，為了達到相應的IEC 61000-4-2額定值，系統工程師應該考慮使用HBM額定值高得多的元件。例如，HBM ESD額定值為+15 kV的系統（如MAX16150）可能滿足±2 kV的IEC 61000-4-2額定值要求。類似地，具有+40 kV HBM ESD額定值的元件（如MAX16163/MAX16164和新型MAX16169）亦可協助實現±6 kV IEC 61000-4-2合規性。

ESD額定值越高，表示元件對惡劣環境的耐受力越強。這不僅能有效減少現場操作中斷，提升系統的可靠性，而且能降低故障的可能性，進而減少頻繁更換產品的成本。ADI開/關控制器和電池保鮮密封件在所有接腳上均採用ESD保護結構，以便在搬運和組裝過程中防止靜電放電。此外，開關輸入處還設計了一重額外的保護。這些密封件的高HBM ESD額定值有助於系統設計滿足IEC 61000-4-2標準。

結論

若要持續提升能源效率，就必須在從工廠生產到現場運作的整個過程中，使用可以減少能源浪費的元件。本文介紹了ADI按鈕開/關控制器和電池保鮮密封產品如何透過待機模式和休眠模式協助減少能源浪費；整合功能節省生產能源、減小PCB尺寸；以及如何透過更高的ESD額定值提高現場穩健性。

References

¹ 「改變我們的世界：2030年永續發展議程」，聯合國。

²Anthony Schiro和Stephen Oliver，「寬能隙功率技術可望推動全球電氣化進程，為我們創造一個永續發展的未來」，《IEEE電力電子雜誌》，第11卷，第1期，2024年3月。

³ 「電池保鮮與密封」，ADI，2020年7月。

⁴ 「監控電路確保微處理器始終受控」，ADI，2022年4月。

⁵ Suryash Rai，「如何大幅提升物聯網元件的電池能效比」，ADI，2023年3月。

⁶ 「永續消費性電子裝置設計：PCB材料和供應鏈管理」， Cadence PCB Solutions。

⁷Sang-Wook Kwon、Seung-Gu Jeong、Jeong-Min Lee和Yong-Seo Koo，「利用靜電放電保護電路設計能夠抵禦破壞且兼具永續性的低壓差穩壓器」，《Sustainability》（永續發展），2023年6月。

⁸Anindita Bhattacharya，「±2kV HBM ESD保護是否足以保護物聯網裝置？」Semtech，2023年6月。