用開關(guān)模式泵榨取電池最多的能量

提示

· 使用升壓轉(zhuǎn)換器后，微控制器就能夠用單只電池或0.5V太陽能電池工作了。

· SMP(開關(guān)模式泵)也可以提升電池電壓，以榨取系統(tǒng)原來無法獲得的存儲(chǔ)電量。

· SMP的效率因無源元件損耗而受限制。

· 集成SMP可以使微控制器為需要較高電壓的子系統(tǒng)供電，如RF IC。

今天的很多微控制器與SoC架構(gòu)都包含一個(gè)片上的升壓轉(zhuǎn)換器，可接受電池和其它電源提供的輸入電壓，得到可選擇的高于輸入端的輸出電壓。

便攜應(yīng)用中獲得長電池壽命是一個(gè)艱巨的任務(wù)。做功耗優(yōu)化的設(shè)計(jì)人員必須考慮到很多因素，如電源設(shè)計(jì)、元器件選擇、高效的固件結(jié)構(gòu)(如果有)、多種低功耗工作模式的管理，以及PCB布線設(shè)計(jì)。本文探討了用SMP(開關(guān)模式泵)做為升壓轉(zhuǎn)換器，以解決系統(tǒng)電源的問題。

任何微控制器所需要的典型工作電壓至少要3.3V，當(dāng)然對(duì)其核心來說，1.8V 就足以工作。AA或AAA電池在滿充時(shí)提供的電壓為1.3V~1.5V，因此系統(tǒng)需要兩只電池才能工作。由于電池放電終止時(shí)電壓會(huì)低于0.9V，此時(shí)即使有兩只電池，系統(tǒng)也不能運(yùn)行。

但使用了升壓轉(zhuǎn)換器后，微控制器可以將單只電池的電壓提升到1.8V或更高。升壓轉(zhuǎn)換器不僅能讓系統(tǒng)用一只電池工作，而且在電池電壓掉到0.5V時(shí)，也能維持系統(tǒng)的運(yùn)行。另外，太陽能電池供電的設(shè)備(一般是面向小體積的消費(fèi)型產(chǎn)品)也可以用升壓轉(zhuǎn)換方法，這樣用單只0.5V的太陽能電池就可以工作，而不必用3只0.5V的電池。開發(fā)人員也可以在電壓過低、無法做升壓的情況下，采用諸如RAM維持的低功耗模式技術(shù)(此時(shí)用戶就能更換電池，然后系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行而不會(huì)發(fā)生中斷)，以保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

榨干電池能量

圖1是一只2500 mAhr容量AA電池的放電曲線?？紤]這樣一個(gè)應(yīng)用，它包含有1.8V工作的控制器或SoC，平均耗電為10 mA。預(yù)計(jì)電池的持續(xù)工作時(shí)間為2500 mAh r/10 mA，即250 小時(shí)。如圖1所示，當(dāng)電池電壓跌至0.9V時(shí)，它的容量已放掉了大約2200 mAh r。過了這個(gè)點(diǎn)，即使用兩只電池(假設(shè)微控制器工作電壓為1.8V)，控制器中現(xiàn)有功能也不能正常工作。這意味著電池剩下的300mAhr(或10%多的電量)無法使用。

如果微控制器中有開關(guān)模式泵，就可以將電池電壓提升到一個(gè)適合的可用電壓。微控制器制造商提供了一個(gè)選擇可用電壓的選項(xiàng)，使電壓能夠升到可為應(yīng)用供電的1.8V或更高，哪怕電池電壓跌到1V以下。于是，系統(tǒng)就能從仍剩余300mAhr的電池中獲得一部分電量。

但在低于某個(gè)輸入電壓時(shí)，升壓電路也無法工作了，因此限制了系統(tǒng)獲取全部剩余能量。注意電池應(yīng)能提供升壓工作的充足電流。升壓電路的輸入電流是輸入電池電壓與輸出提升電壓的一個(gè)函數(shù)。當(dāng)電池電壓下降時(shí)，此電流因輸入電壓與輸出電壓兩者的差值增加而升高。

例如，考慮一個(gè)SMP，用于升壓到一個(gè)恒定3 V 輸出。任何系統(tǒng)中的電能總是恒定的，即輸出功率等于輸入功率。一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率要略低于輸入功率，因?yàn)橛糜谵D(zhuǎn)換的元器件上也會(huì)有損耗，但我們這里假設(shè)是一個(gè)理想的升壓系統(tǒng)，即沒有損耗。開始時(shí)，1.5 V電池的輸入被升高到3 V，為一個(gè)負(fù)載提供50 m A電流，輸入電流則為((3×50)/1.5 ) mA=100 mA。當(dāng)電池電壓跌至1V時(shí)，要維持相同的輸出電壓，所需要的輸入電流會(huì)增加(功率恒定不變),此時(shí)的輸入電流為((3×50)/1)mA=150mA。這樣，升壓轉(zhuǎn)換器就提供了一個(gè)恒定的輸出穩(wěn)壓。

架構(gòu)

圖2是一個(gè)SoC 內(nèi)置SMP升壓轉(zhuǎn)換器與一個(gè)外接式升壓轉(zhuǎn)換器的電路架構(gòu)比較圖。圖2a中顯示的升壓轉(zhuǎn)換器有兩段：一個(gè)存儲(chǔ)段，此時(shí)開關(guān)為開；一個(gè)放電段，此時(shí)開關(guān)為閉。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感以磁場形式存儲(chǔ)來自電池的能量。當(dāng)開關(guān)不導(dǎo)通時(shí)，電感繼續(xù)向相同方向提供電流， 使結(jié)點(diǎn)VSMP上的電壓“反激”(fly back)到一個(gè)高于電容電壓的電壓值。這一動(dòng)作觸發(fā)二極管開始導(dǎo)通，從而使電感中存儲(chǔ)的電荷輸送到濾波器電容中。一個(gè)PWMVSW負(fù)責(zé)開關(guān)的開合。

在一只微控制器中(圖2b)，是一個(gè)片上的發(fā)生單元提供這個(gè)開關(guān)波形。保護(hù)二極管可以內(nèi)置在微控制器芯片上，或可以外接。開發(fā)者唯一要接的一個(gè)元件就是電感線圈與濾波電容。在圖2b所示SoC中，VDDA和VDDD是芯片的供電電壓。