極低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器支持直接甲醇燃料電池助聽器

了解極低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器如何使直接甲醇燃料電池 （DMFC） 動力助聽器在一次快速補充后使用一整天。

介紹

當(dāng)我們今天想到可穿戴技術(shù)時，首先想到的是時尚的耳塞、智能手表、智能眼鏡和健身追蹤器。古老的助聽器終于被加入進來，也許很快就會集成到大量的可穿戴設(shè)備中。事實上，助聽器似乎再次準(zhǔn)備率先采用直接甲醇燃料電池（DMFC）新技術(shù)，為這種新的高效電源拋棄傳統(tǒng)電池。如今，電池供電的助聽器通常需要 4 到 5 小時才能充電。這是一個相當(dāng)高且不方便的停機時間，除非是在就寢時間。但是，如果您的助聽器需要在 30 秒內(nèi)重新上線怎么辦？這就是DMFC技術(shù)的承諾！告別長時間充電，歡迎更快的電量補充。

該設(shè)計解決方案回顧了使用燃料電池為助聽器供電的挑戰(zhàn)，以及一次充電需要運行一整天的能量。

400mV電池電壓太低，無法為下游電子設(shè)備供電。升壓穩(wěn)壓器可以解決這個問題，但目前沒有多少穩(wěn)壓器可以工作在400mV電壓下。在此設(shè)計解決方案中，我們提出了一種新型升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以在非常低的輸入電壓下工作，具有非常高的效率和非常低的靜態(tài)電流。低輸入電壓操作使燃料電池技術(shù)能夠應(yīng)用于助聽器，而其低靜態(tài)電流和高效率使單次加注的操作最大化。

燃料電池操作

直接甲醇燃料電池是一種以甲醇和空氣為燃料的質(zhì)子交換燃料電池。它們的主要優(yōu)點是易于處理甲醇，甲醇是一種在所有環(huán)境條件下能量密集且穩(wěn)定的液體。DMFC由中央質(zhì)子導(dǎo)電膜或聚合物電解質(zhì)膜（PEM）組成，由燃料側(cè)的陽極和空氣側(cè)的陰極包圍。甲醇燃料在陽極催化氧化，提供維持電流的電子。質(zhì)子通過膜被引導(dǎo)到陰極，在那里它們與氧和電子結(jié)合形成汽化的水和可忽略不計的二氧化碳。

能量密度為4466Wh/l，270μl甲醇的能量含量E為：

E = 4466 x 270μ = 1.2Wh

假設(shè)燃料電池效率為10%，我們的有用能量為120mW。當(dāng)電池電壓為0.4V時，我們的等效存儲電荷為：

助聽器框圖

圖2顯示了典型的助聽器框圖。甲醇燃料電池提供高達 300mAh 的電量，通過 DC-DC 升壓穩(wěn)壓器為板載 DSP、麥克風(fēng)、揚聲器、ADC、DAC 和放大器供電。

圖2.甲醇動力助聽器框圖。

在典型情況下，消耗平均電流為12mA的系統(tǒng)將持續(xù)一天多一點：

挑戰(zhàn)

升壓轉(zhuǎn)換器的低輸入電壓操作對于基于 DMFC 的系統(tǒng)至關(guān)重要。小尺寸是助聽器等小型可穿戴設(shè)備的必備條件。高效率和低靜態(tài)電流對于最佳能量利用率和加注之間的最長運行時間也很重要。但這些都是相互沖突的要求。增加穩(wěn)壓器的工作頻率將減小無源器件的尺寸，但會增加損耗，從而降低其效率。

差異化助聽器產(chǎn)品的提供也產(chǎn)生了對多個定制版本的穩(wěn)壓器的需求，特別是在輸入/輸出電壓和電流規(guī)格方面。因此，助聽器制造商可能被迫維護大量且昂貴的不同調(diào)節(jié)器和無源器件庫存，以支持它們。

最先進的解決方案

例如，MAX17220毫微功耗同步升壓轉(zhuǎn)換器（圖3）具有極高的效率、400mV至5.5V輸入范圍、225mA峰值電感電流限值以及可采用單個標(biāo)準(zhǔn)1%電阻選擇的輸出電壓。新穎的真關(guān)斷?模式可產(chǎn)生納安級的漏電流，使其成為真正的毫微功耗器件。

圖3.升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示意圖

體積小

MAX17220、MAX17221、MAX17222、MAX17223、MAX17224、MAX17225系列升壓轉(zhuǎn)換器的每一個細節(jié)都經(jīng)過精心挑選，以實現(xiàn)最低功耗和最小的解決方案尺寸。 高達2.5MHz的開關(guān)頻率、微型封裝選項、單輸出設(shè)置電阻、300ns固定導(dǎo)通時間以及三個限流選項等細節(jié)使用戶能夠最大限度地減小總解決方案尺寸。

這些 IC 提供兩種微型封裝選項：2mm x 2mm 6 引腳 μDFN 和 0.88mm x 1.4mm 6 焊球 WLP（2 x 3，0.4mm 間距）。

低輸入電壓和超低靜態(tài)電流

毫微功耗升壓轉(zhuǎn)換器具有超低靜態(tài)電流，設(shè)計用于在低輸入電壓下工作，方法是從輸出端吸取電流，從輸出自舉自身。參考圖4，輸入靜態(tài)電流（I秦） 的 IC 為 0.5nA （啟動后使能開路）和輸出靜態(tài)電流 （I庫特） 為 300nA。

圖4.具有較低關(guān)斷和靜態(tài)電流的升壓轉(zhuǎn)換器。

為了計算總輸入靜態(tài)電流，需要額外的輸入電流來饋送輸出電流（IQOUT_IN） 必須添加到 I秦.由于輸出功率與輸入功率的關(guān)系與效率（P外= P在x ？），因此：

我QOUT_IN= I庫特x （V外/V在）/?

如果 V在= 1.4V， V外= 3.3V，效率 ？= 88% 在低電流下，我們有：

我QOUT_IN= 300nA x （3.3/1.4）/0.88 = 803.5nA

將803.5nA與0.5nA的輸入電流相加，得到804nA的總輸入靜態(tài)電流（I清特).該靜態(tài)電流比典型升壓穩(wěn)壓器的10μA低12倍，如前例所述。

高效率

升壓轉(zhuǎn)換器 IC 具有低 R德森，板載動力總成 MOSFET 晶體管，即使在足夠高的頻率下工作，也能產(chǎn)生出色的效率，以保證較小的整體 PCB 尺寸（圖 5）。

圖5.高效升壓轉(zhuǎn)換器，具有低導(dǎo)通電阻、板載動力總成 MOSFET 晶體管。

啟用瞬態(tài)保護模式

升壓轉(zhuǎn)換器還包括一個使能瞬態(tài)保護（ETP）模式的選項。當(dāng)存在上拉電阻時，由輸出電容供電的額外片內(nèi)電路可確保EN在輸入端發(fā)生短暫瞬態(tài)干擾時保持高電平。在這種情況下，上面計算的靜態(tài)電流增加了幾十納安。

物料清單優(yōu)勢和智能 V外選擇

MAX17224省去了用于設(shè)置輸出電壓值的傳統(tǒng)電阻分壓器，取而代之的是單輸出選擇電阻（RSEL），如圖 4 所示。IC使用專有方案讀取RSEL僅在啟動時消耗高達 200μA 的值。單個標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器設(shè)置 33 種不同輸出電壓之一，在 1.8V 和 5V 之間以 100mV 的增量相隔。結(jié)果是BOM略有減少（少了一個電阻），簡化了庫存（一個穩(wěn)壓器用于多種應(yīng)用），并降低了靜態(tài)電流。

結(jié)論

直接甲醇燃料電池技術(shù)有望解決電池供電的可穿戴設(shè)備的一大缺點，即電池充電需要很長時間。通過利用甲醇作為能源，這種類型的燃料電池消除了電池充電，有利于燃料電池罐補充，將充電時間減少到僅幾秒鐘的重新填充。但是燃料電池產(chǎn)生的低電壓可能會在其廣泛采用中造成問題。我們推出了一款非常低的輸入電壓、超低靜態(tài)電流、高效率升壓轉(zhuǎn)換器，可以彌合DMFC的低輸入電壓和助聽器的高壓電子設(shè)備之間的差距，一次補充即可無縫運行一整天。

審核編輯：郭婷