如何應用SMP獲取更大的電池儲量

　　今天的很多微控制器與SoC架構都包含一個(gè)片上的升壓轉換器，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。

　　便攜應用中獲得長(cháng)電池壽命是一個(gè)艱巨的任務(wù)。做功耗優(yōu)化的設計人員必須考慮到很多因素，如電源設計、元器件選擇、高效的固件結構（如果有）、多種低功耗工作模式的管理，以及PCB布線(xiàn)設計。本文探討了用SMP（開(kāi)關(guān)模式泵）做為升壓轉換器，以解決系統電源的問(wèn)題。

　　任何微控制器所需要的典型工作電壓至少要3.3V，當然對其核心來(lái)說(shuō)，1.8V 就足以工作。AA或AAA電池在滿(mǎn)充時(shí)提供的電壓為1.3V~1.5V，因此系統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，系統也不能運行。

　　但使用了升壓轉換器后，微控制器可以將單只電池的電壓提升到1.8V或更高。升壓轉換器不僅能讓系統用一只電池工作，而且在電池電壓掉到0.5V時(shí)，也能維持系統的運行。另外，太陽(yáng)能電池供電的設備（一般是面向小體積的消費型產(chǎn)品）也可以用升壓轉換方法，這樣用單只0.5V的太陽(yáng)能電池就可以工作，而不必用3只0.5V的電池。開(kāi)發(fā)人員也可以在電壓過(guò)低、無(wú)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(hù)就能更換電池，然后系統恢復運行而不會(huì )發(fā)生中斷），以保護系統的數據。

　　榨干電池能量

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

　　如果微控制器中有開(kāi)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，使電壓能夠升到可為應用供電的1.8V或更高，哪怕電池電壓跌到1V以下。于是，系統就能從仍剩余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(wú)法工作了，因此限制了系統獲取全部剩余能量。注意電池應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。當電池電壓下降時(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)升壓轉換器的輸出功率要略低于輸入功率，因為用于轉換的元器件上也會(huì )有損耗，但我們這里假設是一個(gè)理想的升壓系統，即沒(méi)有損耗。開(kāi)始時(shí)，1.5 V電池的輸入被升高到3 V，為一個(gè)負載提供50 m A電流，輸入電流則為（（3×50）/1.5 ） mA=100 mA。當電池電壓跌至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，升壓轉換器就提供了一個(gè)恒定的輸出穩壓。

　　架構

　　圖2是一個(gè)SoC 內置SMP升壓轉換器與一個(gè)外接式升壓轉換器的電路架構比較圖。圖2a中顯示的升壓轉換器有兩段：一個(gè)存儲段，此時(shí)開(kāi)關(guān)為開(kāi)；一個(gè)放電段，此時(shí)開(kāi)關(guān)為閉。當開(kāi)關(guān)導通時(shí)，電感以磁場(chǎng)形式存儲來(lái)自電池的能量。當開(kāi)關(guān)不導通時(shí)，電感繼續向相同方向提供電流， 使結點(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(kāi)始導通，從而使電感中存儲的電荷輸送到濾波器電容中。一個(gè)PWMVSW負責開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(kāi)關(guān)波形。保護二極管可以?xún)戎迷谖⒖刂破餍酒?，或可以外接。開(kāi)發(fā)者唯一要接的一個(gè)元件就是電感線(xiàn)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。