專用升壓轉(zhuǎn)換器在能量收集設(shè)計中應(yīng)用分析

從環(huán)境中獲取能量可以提供持續(xù)的電力來源，適用于許多應(yīng)用。然而，用于提取能量的可用能量存儲裝置和換能器的輸出可能低于適合于典型部件的水平。在構(gòu)建高效能量采集設(shè)計時，工程師可以利用可用于輸入電壓遠(yuǎn)低于1 V的可用升壓轉(zhuǎn)換器器件，這些器件包括Intersil，Linear Technology，Maxim Integrated，Microchip和Texas Instruments等制造商。

環(huán)境能源遍布整個環(huán)境，但通常在微瓦級別提供涓流功率（圖1）。在典型的能量收集設(shè)計中，轉(zhuǎn)換太陽能，機(jī)械能，熱能或射頻能量所需的傳感器因此可以在一致的基礎(chǔ)上產(chǎn)生數(shù)百甚至幾十毫伏。許多DC/DC轉(zhuǎn)換器（例如那些設(shè)計用于多節(jié)電池電源的轉(zhuǎn)換器）提供高效率操作，但很容易要求輸入電壓高于典型能量收集應(yīng)用中產(chǎn)生的電平。其他專用升壓轉(zhuǎn)換器能夠在低輸入電壓下工作 - 最大限度地提取能量并提供足夠的功率，即使是最薄弱的環(huán)境能源也能使應(yīng)用電路工作。

能源特性效率Havested Power Light戶外

室內(nèi)10~24％100 mW/cm2

100μW/cm2ThermalHuman

工業(yè)~0.1％

~3％60μW/cm2《 br》 ~1-10 mW/cm2振動?Hz-human

~kHz-機(jī)器25~50％~4μW/cm3

~800μW/cm3RFGSM 900 MHz

Wi-Fi?? 50％0.1μW/cm2

0.001μW/cm2

圖1：估計常見的環(huán)境能源在微瓦級產(chǎn)生功率。 （德州儀器公司提供。）

轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器利用電感器存儲和釋放能量的能力，使用開關(guān)直接進(jìn)行充電和放電循環(huán)，并使用電容器來減少輸出產(chǎn)生的紋波。這種能量循環(huán)。在操作中，開關(guān)以通過控制開關(guān)操作的信號的脈沖寬度調(diào)制確定的速率和持續(xù)時間交替地打開和關(guān)閉。更快的開關(guān)允許使用更小的電感器，但會降低整體效率。

如圖2所示，開關(guān)B斷開，開關(guān)A在tON期間閉合，允許電流從VIN流向地，因此能量存儲在電感器L中。在tOFF期間，開關(guān)B閉合，開關(guān)A斷開，因此存儲在電感器中的能量被釋放到負(fù)載中。

圖2：傳統(tǒng)升壓調(diào)節(jié)器（a）和相關(guān)波形（b）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 （由Analog Devices提供。）

此操作可以以連續(xù)或不連續(xù)模式進(jìn)行。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，電感電流永遠(yuǎn)不會降至零;當(dāng)在非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作時，電感電流可降至零。升壓轉(zhuǎn)換器依靠電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓，使用控制回路即使在負(fù)載變化時也能保持穩(wěn)壓。

電感值

電感值的選擇（參見圖2a中的電感L）對于實現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。通常，較低的電感值會導(dǎo)致效率降低，紋波增大和噪聲增加。較高的電感值會因較小的紋波電流而導(dǎo)致較高的最大輸出電流，但也會在最終設(shè)計中產(chǎn)生更大的占位面積。

通常，制造商為轉(zhuǎn)換器提供了推薦的電感值。當(dāng)電感器范圍不可用時，以下公式為適當(dāng)大小的電感器提供了良好的估計：

其中：

VIN =典型輸入電壓

VOUT =所需輸出電壓

fS =轉(zhuǎn)換器的最小開關(guān)頻率

ΔIL=估計的電感紋波電流

電感紋波電流可以估算為輸出電流的20％到40％，因此下面的等式可以提供估算此參數(shù)：

其中IOUT（max）=應(yīng)用所需的最大輸出電流

低壓輸入設(shè)備

設(shè)計人員可以找到各種設(shè)計用于運行的升壓轉(zhuǎn)換器電源低于1 V.Interil ISL9111的最低工作電壓為0.7 V，啟動電壓為0.8 V，而ISL9111A的最低工作電壓為0.5 V，啟動電壓為0.6 V.該器件僅需要少量額外元件（圖3a），包括4.7μH的電感，效率值范圍為60％至90％以上，具體取決于輸入電壓和輸出電流（圖3b）。

圖3：像Intersil ISL9111這樣的升壓轉(zhuǎn)換器只需要幾個元件，包括一個制造商推薦的4.7μH電感值（a）的電感器，以達(dá)到接近效率的水平即使輸入電壓低于1 V（b），也可達(dá)到90％。 （由Intersil提供。）

對于輕載，ISL9111進(jìn)入跳躍模式，將功耗降至20μA靜態(tài)電流，進(jìn)一步提高輕載時的效率。在正常操作中，器件依賴于控制電路，該控制電路使用從電感器電流得到的斜坡信號來為升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)產(chǎn)生PWM選通信號。在輕負(fù)載期間，當(dāng)感測到電感器電流過零預(yù)定次數(shù)時，轉(zhuǎn)換器離開PWM模式并進(jìn)入跳過模式。

Linear的LTC34xx和LTC35xx系列包括一系列升壓轉(zhuǎn)換器，可在高達(dá)3 MHz的開關(guān)頻率范圍內(nèi)提供0.5 V輸入電壓工作。例如，線性LTC3429和LTC3429B是工作在500 kHz的同步固定頻率升壓轉(zhuǎn)換器，而LTC3528和LTC3528B工作在1 MHz的開關(guān)頻率。 Linear建議該系列器件的外部電感值為4.7μH，但需要注意的是，大約10μH的較大電感值可通過降低電感紋波電流來增加輸出電流能力（圖4）。

圖4：雖然4.7μH是LTC3429/B等器件的推薦電感值，但較高的值會增加輸出電流，但會達(dá)到收益遞減點。 （由Linear Technology提供。）

在正常模式下，LTC34xx和LTC35xx系列中的器件從VOUT而不是VIN供電。結(jié)果，能量源的電壓可以下降到低至0.5V的值而不影響電路操作。此外，這些器件具有抗振鈴電路，通過在電感器電流在非連續(xù)模式下變?yōu)榱銜r阻尼電感來幫助降低EMI。

這些器件的工作效率很高 - LTC3429/LTC3429B為96％，LTC3528/LTC3528B為94％。在輕負(fù)載期間，這些器件能夠通過在LTC3429和LTC3528的情況下自動切換到突發(fā)模式操作來進(jìn)一步節(jié)省能量，或者在LTC3429B和LTC3528B的情況下連續(xù)切換。在突發(fā)模式操作期間，僅監(jiān)視輸出所需的電路保持活動，并且設(shè)備的其余部分關(guān)閉。當(dāng)輸出電壓降至預(yù)設(shè)閾值時，器件喚醒并恢復(fù)正常的PWM操作。此時，如果輸出負(fù)載保持小于突發(fā)模式閾值，則輸出電容器再充電并使器件重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。

德州儀器（TI）TPS6122x升壓轉(zhuǎn)換器屬于同類設(shè)備，輸入電壓為0.7 V.該器件提供固定和可調(diào)電壓輸出版本。在固定版本中，輸出電壓由內(nèi)部電阻分壓器設(shè)置，而外部電阻分壓器與可調(diào)版本一起使用。

與同類產(chǎn)品中的其他器件一樣，TPS6122x器件的推薦外部電感值為4.7μH，可在整個輸入和輸出電壓范圍內(nèi)提供標(biāo)稱性能。德州儀器（TI）指出，根據(jù)以下公式選擇其他電感值會影響開關(guān)頻率：

因此，使用高于4.7μH的電感值將通過降低開關(guān)頻率和相關(guān)開關(guān)來提高效率損失。

TPS6122x器件采用遲滯電流模式架構(gòu)，提供固有穩(wěn)定的解決方案，可快速響應(yīng)負(fù)載變化。器件的遲滯電流模式控制器通過將電感紋波電流保持在固定的200 mA并根據(jù)輸出負(fù)載調(diào)整電感電流的偏移來調(diào)節(jié)輸出電壓（圖5）。在低負(fù)載條件下，電感電流變?yōu)椴贿B續(xù)工作，以保持高效率。

圖5：使用遲滯電流模式架構(gòu)的德州儀器TPS6122x等器件通過根據(jù)負(fù)載調(diào)整電感電流的偏移來調(diào)節(jié)電壓輸出。 （由Texas Instruments提供。）

Microchip MCP1640B/C/D IC的啟動電壓低至0.65 V，在空載運行時僅消耗19μA電流。 Microchip提供的變體部分能夠支持PWM和PFM模式的不同組合。 PWM模式可確保輸出紋波保持較低且頻率恒定，而PFM可在輕載操作期間提高效率。即使在輕載工作期間，MCP1640B/1640D器件也僅在PWM模式下工作。

MCP1640C可以在PWM和PFM模式下工作，以在所有負(fù)載下保持最佳效率（圖6）。如果輸出負(fù)載電流低于內(nèi)部編程閾值，器件將切換到PFM模式。當(dāng)輸出電壓降至其標(biāo)稱值以下時，PFM操作會使輸出恢復(fù)穩(wěn)定。如果輸出負(fù)載電流超過上限閾值，MCP1640C將返回PWM模式。

圖6：Microchip MCP1640C可以從PWM切換到PFM模式，即使在輕載時也能保持效率。 （由Microchip Technology提供。）

除了這些低于1V的器件外，制造商還將能量采集應(yīng)用作為目標(biāo)，其器件具有片上升壓電路，旨在以超低輸入電壓工作。采用專用升壓轉(zhuǎn)換器，凌力爾特公司的LTC3108/LTC3109，Maxim Integrated MAX17710和德州儀器bq25504等器件能夠使用數(shù)十毫伏的輸入電壓，同時為應(yīng)用電路提供多個電壓輸出源。

MCU boost

對于基于MCU的設(shè)計，集成或補(bǔ)充升壓IC有助于實現(xiàn)耗材所需的工作電平。工程師可以找到專為支持制造商的MCU系列而設(shè)計的升壓轉(zhuǎn)換器IC。

例如，Microchip MCP1623/1624是一款緊湊型，高效率，固定頻率，同步升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，專為Microchip PIC MCU系列的簡單電源解決方案而設(shè)計。該器件采用低壓技術(shù)，允許穩(wěn)壓器從低至0.65 V的輸入電壓啟動。為實現(xiàn)高效率工作，該器件集成了低阻n溝道升壓開關(guān)和同步p溝道開關(guān) - 如以及所有相關(guān)的補(bǔ)償和保護(hù)電路。因此，該器件需要最少的外部元件，為PIC MCU提供完整的電源。同時，在待機(jī)模式下無負(fù)載工作時，器件僅需19μA。

設(shè)計人員還可以找到帶集成升壓轉(zhuǎn)換器的MCU。例如，Silicon Labs C8051F9xx系列包括集成的升壓轉(zhuǎn)換器功能，可支持低至0.9 V的電源供電。

Atmel ATtiny43U 8位MCU具有集成升壓轉(zhuǎn)換器，僅需外部電感，二極管和旁路電容可支持低至0.7 V的工作電壓（圖7）。獨立于MCU工作時，只要VBAT上有足夠的電壓，片上轉(zhuǎn)換器就會自動啟動，盡管設(shè)計人員可以禁用此升壓功能。升壓轉(zhuǎn)換器交替地存儲和從外部電感器提取能量，該外部電感器必須落入制造商規(guī)定的電感值范圍內(nèi)。使用過低的電感值會增加電感中的峰值電流并降低轉(zhuǎn)換器效率，而過高的值會使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 ：Atmel ATtiny43U MCU具有片內(nèi)升壓轉(zhuǎn)換器，僅需要通常的外部元件，包括電感器。 （由Atmel提供。）

賽普拉斯半導(dǎo)體提供升壓轉(zhuǎn)換器組件，允許工程師配置其PSoC升壓轉(zhuǎn)換器硬件模塊，將默認(rèn)的1.8 V輸入電壓修改為低至0.5 V的值。升壓功能支持待機(jī)和有源工作模式，在工作模式下提供高達(dá)5.5 V的輸出電壓。盡管如此，由于內(nèi)部泵電路中使用的內(nèi)部開關(guān)的相對高的電阻，內(nèi)置開關(guān)模式泵通常限于驅(qū)動50至70mA的負(fù)載電流。然而，通過使用外部開關(guān)而不是依賴內(nèi)部開關(guān)，工程師可以實現(xiàn)更高的輸出電流水平 - 高達(dá)500 mA - 來驅(qū)動周期性峰值負(fù)載，如無線通信。

結(jié)論

能夠在輸入電壓低于1 V的情況下工作，專用升壓轉(zhuǎn)換器在能量收集設(shè)計中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些器件采用開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和最少的外部元件，可將傳感器和儲能器件的低電壓電平提升至應(yīng)用電路所需的電平。對于超低輸入電壓要求，一類特殊的能量采集IC可以在幾十毫伏的輸入電壓范圍內(nèi)工作，從而最大限度地提高弱電源的能量提取。最后，專為MCU設(shè)計的升壓轉(zhuǎn)換器簡化了基于MCU的能量收集設(shè)計的合適電源的創(chuàng)建。通過利用可用的升壓轉(zhuǎn)換器，工程師可以設(shè)計出高效的能量收集應(yīng)用，即使環(huán)境能源通?？梢蕴峁┓浅５偷碾妷?，也能夠保持全面運行。