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          用開關模式泵榨取電池最多的能量

          作者: 時間:2013-01-08 來源:網(wǎng)絡 收藏

          用開關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,這類應用都有空間與成本的約束,不過元件和無源元件的損耗都會限制效率的提高??刂破鲀戎玫腗OSFET會帶來歐姆損耗以及損耗;開關頻率越高,開關損耗也越大。開關的阻抗主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。內置同步FET有較低的壓降(0.1V),因此盡量減少了損耗,提高了效率。

          負載特性亦影響著SMP 的效率;如果不是一個恒定負載,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??紤]一個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(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走線都可以輕易地產(chǎn)生0.3V壓降。盡管實際輸入電壓約為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避免出現(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的開關電流所產(chǎn)生的輻射。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。如果轉換器是非理想的,則這個電流會更大。如果這個電流經(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。為避免出現(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。

          升壓轉換器的特性

          任何需要高于電源電壓的系統(tǒng),也都可以使用升壓轉換器。一個例子是在3.3V的系統(tǒng)中驅動一塊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芯片的工作可能需要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就可以用于需要多種電源的應用。

          用開關模式泵榨取電池最多的能量

          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上的升壓轉換器可以工作在主動或待機。主動是一般的工作,此時升壓穩(wěn)壓器獲得輸入電壓,產(chǎn)生一個輸出的穩(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。轉換器可以配置為在待機模式下提供小功率小電流的穩(wěn)壓。當輸出電壓小于設定值時,可以用外接的32kHz晶體,在內部時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32 kHz ,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換器中的內置振蕩器。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。提高的效率,增加其持續(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)。


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