用開關模式泵榨取電池最多的能量

提示

· 使用升壓轉換器后，微控制器就能夠用單只電池或0.5V太陽能電池工作了。

· SMP(開關模式泵)也可以提升電池電壓，以榨取系統原來無法獲得的存儲電量。

· SMP的效率因無源元件損耗而受限制。

· 集成SMP可以使微控制器為需要較高電壓的子系統供電，如RF IC。

今天的很多微控制器與SoC架構都包含一個片上的升壓轉換器，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。

便攜應用中獲得長電池壽命是一個艱巨的任務。做功耗優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布線設計。本文探討了用SMP(開關模式泵)做為升壓轉換器，以解決系統電源的問題。

任何微控制器所需要的典型工作電壓至少要3.3V，當然對其核心來說，1.8V 就足以工作。AA或AAA電池在滿充時提供的電壓為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電壓會低于0.9V，此時即使有兩只電池，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，也能維持系統的運行。另外，太陽能電池供電的設備(一般是面向小體積的消費型產品)也可以用升壓轉換方法，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(此時用戶就能更換電池，然后系統恢復運行而不會發生中斷)，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。考慮這樣一個應用，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間為2500 mAh r/10 mA，即250 小時。如圖1所示，當電池電壓跌至0.9V時，它的容量已放掉了大約2200 mAh r。過了這個點，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模式泵，就可以將電池電壓提升到一個適合的可用電壓。微控制器制造商提供了一個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。

但在低于某個輸入電壓時，升壓電路也無法工作了，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函數。當電池電壓下降時，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SMP，用于升壓到一個恒定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有損耗，但我們這里假設是一個理想的升壓系統，即沒有損耗。開始時，1.5 V電池的輸入被升高到3 V，為一個負載提供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，要維持相同的輸出電壓，所需要的輸入電流會增加(功率恒定不變),此時的輸入電流為((3×50)/1)mA=150mA。這樣，升壓轉換器就提供了一個恒定的輸出穩壓。

架構

圖2是一個SoC 內置SMP升壓轉換器與一個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：一個存儲段，此時開關為開；一個放電段，此時開關為閉。當開關導通時，電感以磁場形式存儲來自電池的能量。當開關不導通時，電感繼續向相同方向提供電流， 使結點VSMP上的電壓“反激”(fly back)到一個高于電容電壓的電壓值。這一動作觸發二極管開始導通，從而使電感中存儲的電荷輸送到濾波器電容中。一個PWMVSW負責開關的開合。

在一只微控制器中(圖2b)，是一個片上的發生單元提供這個開關波形。保護二極管可以內置在微控制器芯片上，或可以外接。開發者唯一要接的一個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。