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