用開(kāi)關(guān)模式泵榨取電池最多的能量

設計技巧

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(lèi)應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?？刂破鲀戎玫腗OSFET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計階段確定，電感損耗與開(kāi)關(guān)損耗類(lèi)似。設計人員必須選擇適當的開(kāi)關(guān)頻率，以?xún)?yōu)化功率，并且必須根據開(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，因為它們有低的正向壓降和高的開(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大于兩倍的峰值負載電流。

圖2b中的SMP有一個(gè)內部二極管。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 )因為二極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。

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

為一個(gè)低輸入電壓SMP電路做布局設計必須非常小心?？紤]一個(gè)0.5V起步的升壓轉換器，例如Cypress半導體公司的PSoC3(參考文獻1)可編程單系統芯片。我們假設升壓輸出預計為3V，50mA。當效率為100%時(shí)，輸入電流預計為((3×50)/0.5)mA=300mA。在300mA電流泵入情況下，一根1Ω的PCB走線(xiàn)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)。電路板設計者可以采用一些布線(xiàn)方法來(lái)避免出現這種情況，如使用更寬更短的走線(xiàn)，放置元器件時(shí)使導電路徑盡量短。

另外一個(gè)設計問(wèn)題是流入SMP的開(kāi)關(guān)電流所產(chǎn)生的輻射。當電感存儲電荷時(shí)，輸入電流較高。另外，當電感存儲和釋放電能時(shí)，這個(gè)電流會(huì )在兩個(gè)極端之間轉換。

考慮一種由0.5V升壓至約3V的情況，假設負載電流約為50mA。此時(shí)，對理想SMP的輸入電流為300mA。如果轉換器是非理想的，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(cháng)度的走線(xiàn)，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。為避免出現這種情況，要采用接地的防護走線(xiàn)，將開(kāi)關(guān)路徑與其它敏感元件隔離開(kāi)來(lái)。

升壓轉換器的特性

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

再舉個(gè)例子，如某個(gè)應用有一個(gè)控制器以及一塊用于無(wú)線(xiàn)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用。

很多制造商都提供有片上SMP的SoC ， 具備獨有的特性。Cypress半導體公司的PS o C架構就是一個(gè)例子， 除了其它資源( 如精密可編程模擬與數字元件)外還有一只SMP。SoC上的升壓轉換器可以工作在主動(dòng)或待機模式。主動(dòng)模式是一般的工作模式，此時(shí)升壓穩壓器獲得電池輸入電壓，產(chǎn)生一個(gè)輸出的穩壓。在待機模式時(shí)，大多數升壓功率都被關(guān)閉，以降低升壓電路的功率。轉換器可以配置為在待機模式下提供小功率小電流的穩壓。當輸出電壓小于設定值時(shí)，可以用外接的32kHz晶體，在內部時(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，待機模式為12μA。開(kāi)關(guān)頻率可以設定為100kHz、400kHz、2MHz或32 kHz ，以?xún)?yōu)化效率與元件成本。100kHz、400kHz和2MHz開(kāi)關(guān)頻率來(lái)自于升壓轉換器中的內置振蕩器。當選擇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模式。

微控制器和SoC 的片上SMP有助于為小功率嵌入式應用提供電源。提高電池的效率，增加其持續使用時(shí)間，從而減少廢棄電池的數量。SMP也鼓勵設計人員去開(kāi)發(fā)采用太陽(yáng)能電池供電的系統。