鉅大LARGE | 點擊量：1776次 | 2021年12月23日
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架構都包含一個片上的升壓轉(zhuǎn)換器，可接受電池和其它電源供應的輸入電壓，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(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(jié)構（假如有）、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(zhuǎn)換器，以解決系統(tǒng)電源的問題。
任何微控制器所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電池在滿充時供應的電壓為1.3V~1.5V，因此系統(tǒng)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(tǒng)也不能運行。
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，也能維持系統(tǒng)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(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（此時用戶就能更換電池，然后系統(tǒng)恢復運行而不會發(fā)生中斷），以保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
榨干電池能量
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1是一只2500mAhr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10mA。預計電池的持續(xù)工作時間為2500mAhr/10mA，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2200mAhr。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(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。
假如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。微控制器制造商供應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(tǒng)就能從仍剩余300mAhr的電池中獲得一部分電量。
但在低于某個輸入電壓時，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。注意電池應能供應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(shù)。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新增而升高。
例如，考慮一個SMp，用于升壓到一個恒定3V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。一個升壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率要略低于輸入功率，因為用于轉(zhuǎn)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(tǒng)，即沒有損耗。開始時，1.5V電池的輸入被升高到3V，為一個負載供應50mA電流，輸入電流則為（（3×50）/1.5）mA=100mA。當電池電壓跌至1V時，要維持相同的輸出電壓，所要的輸入電流會新增（功率恒定不變），此時的輸入電流為（（3×50）/1）mA=150mA。這樣，升壓轉(zhuǎn)換器就供應了一個恒定的輸出穩(wěn)壓。
架構
圖2是一個SoC內(nèi)置SMp升壓轉(zhuǎn)換器與一個外接式升壓轉(zhuǎn)換器的電路架構比較圖。圖2a中顯示的升壓轉(zhuǎn)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(xù)向相同方向供應電流，使結(jié)點VSMp上的電壓“反激”（flyback）到一個高于電容電壓的電壓值。這一動作觸發(fā)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(fā)生單元供應這個開關波形。保護二極管可以內(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。
設計技巧
嵌入方法中使用的小功率低輸入電壓SMp要求有高的效率，這類應用都有空間與成本的約束，不過開關元件和無源元件的損耗都會限制效率的提高?？刂破鲀?nèi)置的MOSFET開關會帶來歐姆損耗以及開關損耗；開關頻率越高，開關損耗也越大。開關的阻抗重要在芯片的設計階段確定，電感損耗與開關損耗類似。設計人員必須選擇適當?shù)拈_關頻率，以優(yōu)化功率，并且必須根據(jù)開關頻率來選擇電感。
輸出電容的ESR（等效串聯(lián)電阻）可以出現(xiàn)很大的紋波。假如為降低成本而選擇鋁電解電容，則還應并聯(lián)一個瓷片電容，以減少紋波。所用電容大小決定了輸出的保持時間。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關速度，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有一個內(nèi)部二極管。不過在微控制器中，用一只MOSFET開關來模擬這個二極管，MOSFET與SMp同步工作。如外接肖特基二極管，會因為二極管的正向壓降而造成較高的功率損耗，這個壓降一般約為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。
負載特性亦影響著SMp的效率；假如不是一個恒定負載，則效率會下降。
為一個低輸入電壓SMp電路做布局設計必須非常小心。考慮一個0.5V起步的升壓轉(zhuǎn)換器，例如Cypress半導體公司的pSoC3（參考文獻1）可編程單系統(tǒng)芯片。我們假設升壓輸出預計為3V，50mA。當效率為100%時，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走線都可以輕易地出現(xiàn)0.3V壓降。盡管實際輸入電壓約為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。電路板設計者可以采用一些布線方法來防止出現(xiàn)這種情況，如使用更寬更短的走線，放置元器件時使導電路徑盡量短。
另外一個設計問題是流入SMp的開關電流所出現(xiàn)的輻射。當電感存儲電荷時，輸入電流較高。另外，當電感存儲和釋放電能時，這個電流會在兩個極端之間轉(zhuǎn)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，對理想SMp的輸入電流為300mA。假如轉(zhuǎn)換器是非理想的，則這個電流會更大。假如這個電流經(jīng)過了任何長度的走線，則電磁輻射就會影響到鄰近電路的工作。舉例來說，假設周邊有任何模擬元件，則其性能可能會受影響。為防止出現(xiàn)這種情況，要采用接地的防護走線，將開關路徑與其它敏感元件隔離開來。
升壓轉(zhuǎn)換器的特性
任何要高于電源電壓的系統(tǒng)，也都可以使用升壓轉(zhuǎn)換器。一個例子是在3.3V的系統(tǒng)中驅(qū)動一塊5V的LCD。
再舉個例子，如某個應用有一個控制器以及一塊用于無線通信的RF芯片（圖3）。RF芯片的工作可能要3.3V電壓，而控制器只要1.8V就足夠了。此時，輸入的穩(wěn)定電壓可以為控制器供電；同時，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就可以用于要多種電源的應用。
很多制造商都供應有片上SMp的SoC，具備獨有的特性。Cypress半導體公司的pSoC架構就是一個例子，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或待機模式。主動模式是一般的工作模式，此時升壓穩(wěn)壓器獲得電池輸入電壓，出現(xiàn)一個輸出的穩(wěn)壓。在待機模式時，大多數(shù)升壓功率都被關閉，以降低升壓電路的功率。轉(zhuǎn)換器可以配置為在待機模式下供應小功率小電流的穩(wěn)壓。當輸出電壓小于設定值時，可以用外接的32kHz晶體，在內(nèi)部時鐘的上升沿和下降沿上出現(xiàn)電感升壓脈沖，這種模式叫做ATM（自動錘打模式）。
主動模式的升壓電流一般為200μA，待機模式為12μA。開關頻率可以設定為100kHz、400kHz、2MHz或32kHz，以優(yōu)化效率與元件成本。100kHz、400kHz和2MHz開關頻率來自于升壓轉(zhuǎn)換器中的內(nèi)置振蕩器。當選擇32kHz開關頻率時，時鐘則來自于外接的32kHz晶振。32kHz外部時鐘重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供應電源。提高電池的效率，新增其持續(xù)使用時間，從而減少廢棄電池的數(shù)量。SMp也鼓勵設計人員去開發(fā)采用太陽能電池供電的系統(tǒng)。
