如何應(yīng)用SMP獲取更大的電池儲(chǔ)量

　　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(zhǎng)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(chǎng)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。

　　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，不過開關(guān)元件和無源元件的損耗都會(huì)限制效率的提高?？刂破鲀?nèi)置的MOSFET開關(guān)會(huì)帶來歐姆損耗以及開關(guān)損耗；開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗也越大。開關(guān)的阻抗主要在芯片的設(shè)計(jì)階段確定，電感損耗與開關(guān)損耗類似。設(shè)計(jì)人員必須選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率，以優(yōu)化功率，并且必須根據(jù)開關(guān)頻率來選擇電感。

　　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_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。不過在微控制器中， 用一只MOSFET開關(guān)來模擬這個(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)問題是流入SMP的開關(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。舉例來說，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，將開關(guān)路徑與其它敏感元件隔離開來。

　　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開關(guān)頻率來自于升壓轉(zhuǎn)換器中的內(nèi)置振蕩器。當(dāng)選擇32kHz開關(guān)頻率時(shí)，時(shí)鐘則來自于外接的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)人員去開發(fā)采用太陽能電池供電的系統(tǒng)。