L’importanza di una bassa corrente a riposo: le 3 specifiche da conoscere

La corrente a riposo (I_Q) è la corrente assorbita da un circuito integrato (IC) che non pilota alcun carico, non sta commutando ma è pronto per svolgere il suo compito. Un modo più completo di pensare alla corrente a riposo è considerare la somma delle correnti di ingresso di tutti i numerosi circuiti che compongono un chip completo.

Per le applicazioni alimentate a batteria, questa corrente proviene dalla batteria, quindi determina per quanto tempo la batteria funzionerà prima che debba essere sostituita (ovvero ricaricata per le batterie ricaricabili, come quelle agli ioni di litio (Li-Ion) o al nichel-metallo idruro (Ni-MH)) o effettivamente sostituita (per le batterie primarie, come le alcaline o quelle al litio diossido di manganese (Li-MnO2)). Per le applicazioni alimentate a batteria che trascorrono gran parte del loro tempo in modalità standby o in sleep mode, I_Q può influire in maniera significativa sull’autonomia della batteria. Ad esempio, l’utilizzo di un convertitore buck a bassissimo I_Q come il TPS62840 da 60 nA per alimentare un’applicazione sempre attiva, come i contatori intelligenti mostrati nella figura 1, consente di ottenere una autonomia di oltre 10 anni della batteria.

I_Q influisce, in ogni caso, anche sull’autonomia delle batterie utilizzate nelle applicazioni con cui interagiamo quotidianamente. Quanti possiedono un orologio intelligente sanno già che questo deve essere caricato per un’ora prima di poter essere utilizzato, altri tengono sempre in tasta una chiave fisica per poter aprire la serratura di casa – come quella mostrata in figura 2 – nel caso che  la batteria della serratura si esaurisca improvvisamente lasciandoci fuori di casa. Anche in questo caso c’entra la corrente di riposo I_Q.

In questo articolo ci occuperemo di tre delle specifiche più importanti legate al concetto di I_Q:

• Shutdown current
• Non-switching I_Q
• Switching I_Q

analizzando il data sheet di un convertitore DC/DC e verificando come queste specifiche influiscono sul consumo energetico complessivo.

Shutdown current

È la corrente che viene assorbita quando il circuito integrato è spento o disabilitato. Qualcuno potrebbe pensare che questa corrente sia pari a zero; in realtà alcuni circuiti integrati disperdono una piccolissima corrente anche in questo stato, mentre altri hanno circuiti che restano attivi anche in questa condizione, mantenendo in funzione alcune particolari funzionalità anche quando il circuito integrato è disabilitato.

Proviamo ora a pensare ad un qualsiasi prodotto elettronico su uno scaffale di un negozio o di un magazzino in attesa di essere venduto. Il motivo per cui lo smartwatch dell’esempio precedente doveva essere ricaricato per iniziare a funzionare, dipende proprio da questa corrente, evidenziata nel data sheet di Figura 3. Quando un prodotto finale si trova su uno scaffale di un negozio o su uno scaffale più alto in un magazzino (dove la temperatura è probabilmente elevata, portando a un consumo più rapido della batteria), la maggior parte dei convertitori DC/DC si trova in modalità shutdown e, anche se i convertitori DC/DC sono disabilitati, la batteria si scarica lentamente.

Alcuni circuiti integrati hanno più modalità di spegnimento, come la modalità ship mode a 2-nA del BQ25120 di TI o la modalità bypass a 4 nA del boost convertitore TPS61094.

In questi stati di spegnimento avanzato, di solito rimane attivo un sottoinsieme molto limitato delle funzionalità del dispositivo che assorbe una quantità minima di corrente I_Q dell’ordine dei  nanoampere.  Rispetto alla corrente I_Q di 700 nA della modalità high-impedance (shutdown) del BQ25120 e all’I_Q di 200 nA della modalità shutdown del TPS61094, le modalità ship mode e bypass mode estendono la durata della batteria da 50 a 350 volte.

Non-switching I_Q

È la corrente assorbita, quando l’IC è abilitato, tra gli impulsi di commutazione in condizioni di mancanza di carico. Questo parametro si trova nella maggior parte delle schede tecniche dei convertitori switching DC/DC perché può essere facilmente misurato in produzione con apparecchiature di test automatizzate.

Sebbene non-switching I_Q fornisca un confronto omogeneo tra diversi circuiti integrati, due aspetti impediscono che sia il metodo migliore per determinare il tempo di autonomia della batteria: la corrente non-switching I_Q non sempre equivale alla corrente effettivamente assorbita dalla batteria dal momento che parte di questa corrente viene prelevata dal carico.

Tuttavia, poiché la tensione di uscita e la corrente prelevata dall’uscita che contribuisce al non-switching IQ provengono, in ultima analisi, dalla batteria, sono necessarie ulteriori conversioni o misurazioni per ottenere un I_Q equivalente dalla sorgente di ingresso. Non è possibile sommare le due correnti ed ottenere la corrente totale assorbita dalla batteria. Ad esempio, il convertitore boost TPS61099 presenta una corrente I_Q di 400 nA da VIN e una corrente I_Q da 600 nA da VOUT, ma il consumo di corrente in ingresso a vuoto è di circa 1,3 µA e non 1 µA.

Switching I_Q

Switching I_Q, può avere nomi differenti: operating I_Q, standby current, sleep-mode current, no-load input current, ground current for LDOs, e così via. In pratica è la corrente che assorbe il circuito integrato quando lo stesso è in funzione in assenza di carico.

È la migliore stima della corrente prelevata dalla batteria senza carico e compare in molte schede tecniche, come la switching I_Q di  60 nA del TPS62840, evidenziata in Figura 4.

L’uso di convertitori DC/DC a basso I_Q è di fondamentale importanza per ottenere una lunga autonomia della batteria nelle applicazioni dove l’apparecchiatura rimane accesa ma non attiva per lunghi periodi di tempo. Ad esempio, le serrature elettroniche trascorrono la maggior parte del loro tempo in uno stato di bassissimo consumo in attesa che qualcuno digiti il codice di accesso per poi azionare per un paio di secondi il relè. Se la corrente switching I_Q è troppo alta, la maggior parte dell’energia della batteria viene utilizzata durante l’attesa invece di essere impiegata per attivare il relè.

Questo articolo contiene una breve panoramica sul concetto di corrente a riposo e su come viene trattato questo parametro nei data sheet. Per  informazioni tecniche più dettagliate su I_Q è disponibile il white paper “Overcoming Low-I_Q Challenges in Low-Power Applications” e l’articolo “I_Q: What it is, what it isn’t, and how to use it”; ulteriori informazioni su questo argomento sono presenti nelle low-I_Q training series.