用開(kāi)關(guān)模式泵榨取電池最多的能量

設(shè)計(jì)技巧

嵌入方案中使用的小功率低輸入電壓SMP要求有高的效率，這類應(yīng)用都有空間與成本的約束，不過(guò)開(kāi)關(guān)元件和無(wú)源元件的損耗都會(huì)限制效率的提高?？刂破鲀?nèi)置的MOSFET開(kāi)關(guān)會(huì)帶來(lái)歐姆損耗以及開(kāi)關(guān)損耗；開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗也越大。開(kāi)關(guān)的阻抗主要在芯片的設(shè)計(jì)階段確定，電感損耗與開(kāi)關(guān)損耗類似。設(shè)計(jì)人員必須選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)頻率，以優(yōu)化功率，并且必須根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)選擇電感。

輸出電容的ESR(等效串聯(lián)電阻)可以產(chǎn)生很大的紋波。如果為降低成本而選擇鋁電解電容，則還應(yīng)并聯(lián)一個(gè)瓷片電容，以減少紋波。所用電容大小決定了輸出的保持時(shí)間。建議采用肖特基二極管，因?yàn)樗鼈冇械偷恼驂航岛透叩拈_(kāi)關(guān)速度，但是肖特基二極管的正向壓降及其自身阻抗也造成了一些損耗。二極管的額定電流應(yīng)大于兩倍的峰值負(fù)載電流。

圖2b中的SMP有一個(gè)內(nèi)部二極管。不過(guò)在微控制器中， 用一只MOSFET開(kāi)關(guān)來(lái)模擬這個(gè)二極管，MOSFET與SMP同步工作。如外接肖特基二極管，會(huì)因?yàn)槎O管的正向壓降而造成較高的功率損耗，這個(gè)壓降一般約為0.4V。內(nèi)置同步FET有較低的壓降(0.1V)，因此盡量減少了損耗，提高了電池效率。

負(fù)載特性亦影響著SMP 的效率；如果不是一個(gè)恒定負(fù)載，則效率會(huì)下降。

為一個(gè)低輸入電壓SMP電路做布局設(shè)計(jì)必須非常小心?？紤]一個(gè)0.5V起步的升壓轉(zhuǎn)換器，例如Cypress半導(dǎo)體公司的PSoC3(參考文獻(xiàn)1)可編程單系統(tǒng)芯片。我們假設(shè)升壓輸出預(yù)計(jì)為3V，50mA。當(dāng)效率為100%時(shí)，輸入電流預(yù)計(jì)為((3×50)/0.5)mA=300mA。在300mA電流泵入情況下，一根1Ω的PCB走線都可以輕易地產(chǎn)生0.3V壓降。盡管實(shí)際輸入電壓約為0.5V，但在升壓轉(zhuǎn)換器輸入端上卻只剩0.2V了。于是，SMP就無(wú)法以0.5V輸入電壓起動(dòng)。電路板設(shè)計(jì)者可以采用一些布線方法來(lái)避免出現(xiàn)這種情況，如使用更寬更短的走線，放置元器件時(shí)使導(dǎo)電路徑盡量短。

另外一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題是流入SMP的開(kāi)關(guān)電流所產(chǎn)生的輻射。當(dāng)電感存儲(chǔ)電荷時(shí)，輸入電流較高。另外，當(dāng)電感存儲(chǔ)和釋放電能時(shí)，這個(gè)電流會(huì)在兩個(gè)極端之間轉(zhuǎn)換。

考慮一種由0.5V升壓至約3V的情況，假設(shè)負(fù)載電流約為50mA。此時(shí)，對(duì)理想SMP的輸入電流為300mA。如果轉(zhuǎn)換器是非理想的，則這個(gè)電流會(huì)更大。如果這個(gè)電流經(jīng)過(guò)了任何長(zhǎng)度的走線，則電磁輻射就會(huì)影響到鄰近電路的工作。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)周邊有任何模擬元件，則其性能可能會(huì)受影響。為避免出現(xiàn)這種情況，要采用接地的防護(hù)走線，將開(kāi)關(guān)路徑與其它敏感元件隔離開(kāi)來(lái)。

升壓轉(zhuǎn)換器的特性

任何需要高于電源電壓的系統(tǒng)，也都可以使用升壓轉(zhuǎn)換器。一個(gè)例子是在3.3V的系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)一塊5V的LCD。

再舉個(gè)例子，如某個(gè)應(yīng)用有一個(gè)控制器以及一塊用于無(wú)線通信的RF芯片(圖3)。RF芯片的工作可能需要3.3V電壓，而控制器只要1.8V就足夠了。此時(shí)，輸入的穩(wěn)定電壓可以為控制器供電；同時(shí)，控制器上的SMP可以將輸入電壓升至3.3V，為RF芯片供電。于是，控制器上的SMP就可以用于需要多種電源的應(yīng)用。

很多制造商都提供有片上SMP的SoC ， 具備獨(dú)有的特性。Cypress半導(dǎo)體公司的PS o C架構(gòu)就是一個(gè)例子， 除了其它資源( 如精密可編程模擬與數(shù)字元件)外還有一只SMP。SoC上的升壓轉(zhuǎn)換器可以工作在主動(dòng)或待機(jī)模式。主動(dòng)模式是一般的工作模式，此時(shí)升壓穩(wěn)壓器獲得電池輸入電壓，產(chǎn)生一個(gè)輸出的穩(wěn)壓。在待機(jī)模式時(shí)，大多數(shù)升壓功率都被關(guān)閉，以降低升壓電路的功率。轉(zhuǎn)換器可以配置為在待機(jī)模式下提供小功率小電流的穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓小于設(shè)定值時(shí)，可以用外接的32kHz晶體，在內(nèi)部時(shí)鐘的上升沿和下降沿上產(chǎn)生電感升壓脈沖,這種模式叫做ATM(自動(dòng)錘打模式)。

主動(dòng)模式的升壓電流一般為200μA，待機(jī)模式為12μA。開(kāi)關(guān)頻率可以設(shè)定為100kHz、400kHz、2MHz或32 kHz ，以優(yōu)化效率與元件成本。100kHz、400kHz和2MHz開(kāi)關(guān)頻率來(lái)自于升壓轉(zhuǎn)換器中的內(nèi)置振蕩器。當(dāng)選擇32kHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，時(shí)鐘則來(lái)自于外接的32kHz晶振。32kHz外部時(shí)鐘主要用于升壓待機(jī)模式。

微控制器和SoC 的片上SMP有助于為小功率嵌入式應(yīng)用提供電源。提高電池的效率，增加其持續(xù)使用時(shí)間，從而減少?gòu)U棄電池的數(shù)量。SMP也鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員去開(kāi)發(fā)采用太陽(yáng)能電池供電的系統(tǒng)。