用开关模式泵榨取电池最多的能量

提示

· 使用升压转换器后，微控制器就能够用单只电池或0.5V太阳能电池工作了。

·SMP(开关模式泵)也可以提升电池电压，以榨取系统原来无法获得的存储电量。

· SMP的效率因无源元件损耗而受限制。

· 集成SMP可以使微控制器为需要较高电压的子系统供电，如RF IC。

今天的很多微控制器与SoC架构都包含一个片上的升压转换器，可接受电池和其它电源提供的输入电压，得到可选择的高于输入端的输出电压。

便携应用中获得长电池寿命是一个艰巨的任务。做功耗优化的设计人员必须考虑到很多因素，如电源设计、元器件选择、高效的固件结构(如果有)、多种低功耗工作模式的管理，以及PCB布线设计。本文探讨了用SMP(开关模式泵)做为升压转换器，以解决系统电源的问题。

任何微控制器所需要的典型工作电压至少要3.3V，当然对其核心来说，1.8V 就足以工作。AA或AAA电池在满充时提供的电压为1.3V~1.5V，因此系统需要两只电池才能工作。由于电池放电终止时电压会低于0.9V，此时即使有两只电池，系统也不能运行。

但使用了升压转换器后，微控制器可以将单只电池的电压提升到1.8V或更高。升压转换器不仅能让系统用一只电池工作，而且在电池电压掉到0.5V时，也能维持系统的运行。另外，太阳能电池供电的设备(一般是面向小体积的消费型产品)也可以用升压转换方法，这样用单只0.5V的太阳能电池就可以工作，而不必用3只0.5V的电池。开发人员也可以在电压过低、无法做升压的情况下，采用诸如RAM维持的低功耗模式技术(此时用户就能更换电池，然后系统恢复运行而不会发生中断)，以保护系统的数据。

榨干电池能量

图1是一只2500 mAhr容量AA电池的放电曲线。考虑这样一个应用，它包含有1.8V工作的控制器或SoC，平均耗电为10 mA。预计电池的持续工作时间为2500 mAh r/10 mA，即250 小时。如图1所示，当电池电压跌至0.9V时，它的容量已放掉了大约2200 mAh r。过了这个点，即使用两只电池(假设微控制器工作电压为1.8V)，控制器中现有功能也不能正常工作。这意味着电池剩下的300mAhr(或10%多的电量)无法使用。

 

如果微控制器中有开关模式泵，就可以将电池电压提升到一个适合的可用电压。微控制器制造商提供了一个选择可用电压的选项，使电压能够升到可为应用供电的1.8V或更高，哪怕电池电压跌到1V以下。于是，系统就能从仍剩余300mAhr的电池中获得一部分电量。

但在低于某个输入电压时，升压电路也无法工作了，因此限制了系统获取全部剩余能量。注意电池应能提供升压工作的充足电流。升压电路的输入电流是输入电池电压与输出提升电压的一个函数。当电池电压下降时，此电流因输入电压与输出电压两者的差值增加而升高。

例如，考虑一个SMP，用于升压到一个恒定3 V 输出。任何系统中的电能总是恒定的，即输出功率等于输入功率。一个升压转换器的输出功率要略低于输入功率，因为用于转换的元器件上也会有损耗，但我们这里假设是一个理想的升压系统，即没有损耗。开始时，1.5 V电池的输入被升高到3 V，为一个负载提供50 m A电流，输入电流则为((3×50)/1.5 ) mA=100 mA。当电池电压跌至1V时，要维持相同的输出电压，所需要的输入电流会增加(功率恒定不变),此时的输入电流为((3×50)/1)mA=150mA。这样，升压转换器就提供了一个恒定的输出稳压。

架构

图2是一个SoC 内置SMP升压转换器与一个外接式升压转换器的电路架构比较图。图2a中显示的升压转换器有两段：一个存储段，此时开关为开;一个放电段，此时开关为闭。当开关导通时，电感以磁场形式存储来自电池的能量。当开关不导通时，电感继续向相同方向提供电流， 使结点VSMP上的电压“反激”(fly back)到一个高于电容电压的电压值。这一动作触发二极管开始导通，从而使电感中存储的电荷输送到滤波器电容中。一个PWMVSW负责开关的开合。

在一只微控制器中(图2b)，是一个片上的发生单元提供这个开关波形。保护二极管可以内置在微控制器芯片上，或可以外接。开发者唯一要接的一个元件就是电感线圈与滤波电容。在图2b所示SoC中，VDDA和VDDD是芯片的供电电压。

 

设计技巧

嵌入方案中使用的小功率低输入电压SMP要求有高的效率，这类应用都有空间与成本的约束，不过开关元件和无源元件的损耗都会限制效率的提高。控制器内置的MOSFET开关会带来欧姆损耗以及开关损耗;开关频率越高，开关损耗也越大。开关的阻抗主要在芯片的设计阶段确定，电感损耗与开关损耗类似。设计人员必须选择适当的开关频率，以优化功率，并且必须根据开关频率来选择电感。[!--empirenews.page--]

输出电容的ESR(等效串联电阻)可以产生很大的纹波。如果为降低成本而选择铝电解电容，则还应并联一个瓷片电容，以减少纹波。所用电容大小决定了输出的保持时间。建议采用肖特基二极管，因为它们有低的正向压降和高的开关速度，但是肖特基二极管的正向压降及其自身阻抗也造成了一些损耗。二极管的额定电流应大于两倍的峰值负载电流。

图2b中的SMP有一个内部二极管。不过在微控制器中， 用一只MOSFET开关来模拟这个二极管，MOSFET与SMP同步工作。如外接肖特基二极管，会因为二极管的正向压降而造成较高的功率损耗，这个压降一般约为0.4V。内置同步FET有较低的压降(0.1V)，因此尽量减少了损耗，提高了电池效率。

负载特性亦影响着SMP 的效率;如果不是一个恒定负载，则效率会下降。

为一个低输入电压SMP电路做布局设计必须非常小心。考虑一个0.5V起步的升压转换器，例如Cypress半导体公司的PSoC3(参考文献1)可编程单系统芯片。我们假设升压输出预计为3V，50mA。当效率为100%时，输入电流预计为((3×50)/0.5)mA=300mA。在300mA电流泵入情况下，一根1Ω的PCB走线都可以轻易地产生0.3V压降。尽管实际输入电压约为0.5V，但在升压转换器输入端上却只剩0.2V了。于是，SMP就无法以0.5V输入电压起动。电路板设计者可以采用一些布线方法来避免出现这种情况，如使用更宽更短的走线，放置元器件时使导电路径尽量短。

另外一个设计问题是流入SMP的开关电流所产生的辐射。当电感存储电荷时，输入电流较高。另外，当电感存储和释放电能时，这个电流会在两个极端之间转换。

考虑一种由0.5V升压至约3V的情况，假设负载电流约为50mA。此时，对理想SMP的输入电流为300mA。如果转换器是非理想的，则这个电流会更大。如果这个电流经过了任何长度的走线，则电磁辐射就会影响到邻近电路的工作。举例来说，假设周边有任何模拟元件，则其性能可能会受影响。为避免出现这种情况，要采用接地的防护走线，将开关路径与其它敏感元件隔离开来。

升压转换器的特性

任何需要高于电源电压的系统，也都可以使用升压转换器。一个例子是在3.3V的系统中驱动一块5V的LCD。

再举个例子，如某个应用有一个控制器以及一块用于无线通信的RF芯片(图3)。RF芯片的工作可能需要3.3V电压，而控制器只要1.8V就足够了。此时，输入的稳定电压可以为控制器供电;同时，控制器上的SMP可以将输入电压升至3.3V，为RF芯片供电。于是，控制器上的SMP就可以用于需要多种电源的应用。

 

很多制造商都提供有片上SMP的SoC ， 具备独有的特性。Cypress半导体公司的PS o C架构就是一个例子， 除了其它资源( 如精密可编程模拟与数字元件)外还有一只SMP。SoC上的升压转换器可以工作在主动或待机模式。主动模式是一般的工作模式，此时升压稳压器获得电池输入电压，产生一个输出的稳压。在待机模式时，大多数升压功率都被关闭，以降低升压电路的功率。转换器可以配置为在待机模式下提供小功率小电流的稳压。当输出电压小于设定值时，可以用外接的32kHz晶体，在内部时钟的上升沿和下降沿上产生电感升压脉冲,这种模式叫做ATM(自动锤打模式)。

主动模式的升压电流一般为200μA，待机模式为12μA。开关频率可以设定为100kHz、400kHz、2MHz或32 kHz ，以优化效率与元件成本。100kHz、400kHz和2MHz开关频率来自于升压转换器中的内置振荡器。当选择32kHz开关频率时，时钟则来自于外接的32kHz晶振。32kHz外部时钟主要用于升压待机模式。

微控制器和SoC 的片上SMP有助于为小功率嵌入式应用提供电源。提高电池的效率，增加其持续使用时间，从而减少废弃电池的数量。SMP也鼓励设计人员去开发采用太阳能电池供电的系统。