专用升压转换器在能量收集设计中应用分析

从环境中获取能量可以提供持续的电力来源，适用于许多应用。然而，用于提取能量的可用能量存储装置和换能器的输出可能低于适合于典型部件的水平。在构建高效能量采集设计时，工程师可以利用可用于输入电压远低于1 V的可用升压转换器器件，这些器件包括Intersil，Linear Technology，Maxim Integrated，Microchip和Texas Instruments等制造商。

环境能源遍布整个环境，但通常在微瓦级别提供涓流功率（图1）。在典型的能量收集设计中，转换太阳能，机械能，热能或射频能量所需的传感器因此可以在一致的基础上产生数百甚至几十毫伏。许多DC/DC转换器（例如那些设计用于多节电池电源的转换器）提供高效率操作，但很容易要求输入电压高于典型能量收集应用中产生的电平。其他专用升压转换器能够在低输入电压下工作 - 最大限度地提取能量并提供足够的功率，即使是最薄弱的环境能源也能使应用电路工作。

能源特性效率Havested Power Light户外

室内10~24％100 mW/cm²

100μW/cm²ThermalHuman

工业~0.1％

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

~kHz-机器25~50％~4μW/cm³

~800μW/cm³RFGSM 900 MHz

Wi-Fi™〜 50％0.1μW/cm²

0.001μW/cm²

图1：估计常见的环境能源在微瓦级产生功率。 （德州仪器公司提供。）

转换器拓扑结构

传统升压转换器利用电感器存储和释放能量的能力，使用开关直接进行充电和放电循环，并使用电容器来减少输出产生的纹波。这种能量循环。在操作中，开关以通过控制开关操作的信号的脉冲宽度调制确定的速率和持续时间交替地打开和关闭。更快的开关允许使用更小的电感器，但会降低整体效率。

如图2所示，开关B断开，开关A在tON期间闭合，允许电流从VIN流向地，因此能量存储在电感器L中。在tOFF期间，开关B闭合，开关A断开，因此存储在电感器中的能量被释放到负载中。

图2：传统升压调节器（a）和相关波形（b）的拓扑结构。 （由Analog Devices提供。）

此操作可以以连续或不连续模式进行。在连续导通模式（CCM）下，电感电流永远不会降至零;当在非连续导通模式（DCM）下工作时，电感电流可降至零。升压转换器依靠电压或电流反馈来调节输出电压，使用控制回路即使在负载变化时也能保持稳压。

电感值

电感值的选择（参见图2a中的电感L）对于实现最佳性能至关重要。通常，较低的电感值会导致效率降低，纹波增大和噪声增加。较高的电感值会因较小的纹波电流而导致较高的最大输出电流，但也会在最终设计中产生更大的占位面积。

通常，制造商为转换器提供了推荐的电感值。当电感器范围不可用时，以下公式为适当大小的电感器提供了良好的估计：

其中：

VIN =典型输入电压

VOUT =所需输出电压

fS =转换器的最小开关频率

ΔIL=估计的电感纹波电流

电感纹波电流可以估算为输出电流的20％到40％，因此下面的等式可以提供估算此参数：

其中IOUT（max）=应用所需的最大输出电流

低压输入设备

设计人员可以找到各种设计用于运行的升压转换器电源低于1 V.Interil ISL9111的最低工作电压为0.7 V，启动电压为0.8 V，而ISL9111A的最低工作电压为0.5 V，启动电压为0.6 V.该器件仅需要少量额外元件（图3a），包括4.7μH的电感，效率值范围为60％至90％以上，具体取决于输入电压和输出电流（图3b）。

图3：像Intersil ISL9111这样的升压转换器只需要几个元件，包括一个制造商推荐的4.7μH电感值（a）的电感器，以达到接近效率的水平即使输入电压低于1 V（b），也可达到90％。 （由Intersil提供。）

对于轻载，ISL9111进入跳跃模式，将功耗降至20μA静态电流，进一步提高轻载时的效率。在正常操作中，器件依赖于控制电路，该控制电路使用从电感器电流得到的斜坡信号来为升压转换器开关产生PWM选通信号。在轻负载期间，当感测到电感器电流过零预定次数时，转换器离开PWM模式并进入跳过模式。

Linear的LTC34xx和LTC35xx系列包括一系列升压转换器，可在高达3 MHz的开关频率范围内提供0.5 V输入电压工作。例如，线性LTC3429和LTC3429B是工作在500 kHz的同步固定频率升压转换器，而LTC3528和LTC3528B工作在1 MHz的开关频率。 Linear建议该系列器件的外部电感值为4.7μH，但需要注意的是，大约10μH的较大电感值可通过降低电感纹波电流来增加输出电流能力（图4）。

图4：虽然4.7μH是LTC3429/B等器件的推荐电感值，但较高的值会增加输出电流，但会达到收益递减点。 （由Linear Technology提供。）

在正常模式下，LTC34xx和LTC35xx系列中的器件从VOUT而不是VIN供电。结果，能量源的电压可以下降到低至0.5V的值而不影响电路操作。此外，这些器件具有抗振铃电路，通过在电感器电流在非连续模式下变为零时阻尼电感来帮助降低EMI。

这些器件的工作效率很高 - LTC3429/LTC3429B为96％，LTC3528/LTC3528B为94％。在轻负载期间，这些器件能够通过在LTC3429和LTC3528的情况下自动切换到突发模式操作来进一步节省能量，或者在LTC3429B和LTC3528B的情况下连续切换。在突发模式操作期间，仅监视输出所需的电路保持活动，并且设备的其余部分关闭。当输出电压降至预设阈值时，器件唤醒并恢复正常的PWM操作。此时，如果输出负载保持小于突发模式阈值，则输出电容器再充电并使器件重新进入休眠状态。

德州仪器（TI）TPS6122x升压转换器属于同类设备，输入电压为0.7 V.该器件提供固定和可调电压输出版本。在固定版本中，输出电压由内部电阻分压器设置，而外部电阻分压器与可调版本一起使用。

与同类产品中的其他器件一样，TPS6122x器件的推荐外部电感值为4.7μH，可在整个输入和输出电压范围内提供标称性能。德州仪器（TI）指出，根据以下公式选择其他电感值会影响开关频率：

因此，使用高于4.7μH的电感值将通过降低开关频率和相关开关来提高效率损失。

TPS6122x器件采用迟滞电流模式架构，提供固有稳定的解决方案，可快速响应负载变化。器件的迟滞电流模式控制器通过将电感纹波电流保持在固定的200 mA并根据输出负载调整电感电流的偏移来调节输出电压（图5）。在低负载条件下，电感电流变为不连续工作，以保持高效率。

图5：使用迟滞电流模式架构的德州仪器TPS6122x等器件通过根据负载调整电感电流的偏移来调节电压输出。 （由Texas Instruments提供。）

Microchip MCP1640B/C/D IC的启动电压低至0.65 V，在空载运行时仅消耗19μA电流。 Microchip提供的变体部分能够支持PWM和PFM模式的不同组合。 PWM模式可确保输出纹波保持较低且频率恒定，而PFM可在轻载操作期间提高效率。即使在轻载工作期间，MCP1640B/1640D器件也仅在PWM模式下工作。

MCP1640C可以在PWM和PFM模式下工作，以在所有负载下保持最佳效率（图6）。如果输出负载电流低于内部编程阈值，器件将切换到PFM模式。当输出电压降至其标称值以下时，PFM操作会使输出恢复稳定。如果输出负载电流超过上限阈值，MCP1640C将返回PWM模式。

图6：Microchip MCP1640C可以从PWM切换到PFM模式，即使在轻载时也能保持效率。 （由Microchip Technology提供。）

除了这些低于1V的器件外，制造商还将能量采集应用作为目标，其器件具有片上升压电路，旨在以超低输入电压工作。采用专用升压转换器，凌力尔特公司的LTC3108/LTC3109，Maxim Integrated MAX17710和德州仪器bq25504等器件能够使用数十毫伏的输入电压，同时为应用电路提供多个电压输出源。

MCU boost

对于基于MCU的设计，集成或补充升压IC有助于实现耗材所需的工作电平。工程师可以找到专为支持制造商的MCU系列而设计的升压转换器IC。

例如，Microchip MCP1623/1624是一款紧凑型，高效率，固定频率，同步升压型DC-DC转换器，专为Microchip PIC MCU系列的简单电源解决方案而设计。该器件采用低压技术，允许稳压器从低至0.65 V的输入电压启动。为实现高效率工作，该器件集成了低阻n沟道升压开关和同步p沟道开关 - 如以及所有相关的补偿和保护电路。因此，该器件需要最少的外部元件，为PIC MCU提供完整的电源。同时，在待机模式下无负载工作时，器件仅需19μA。

设计人员还可以找到带集成升压转换器的MCU。例如，Silicon Labs C8051F9xx系列包括集成的升压转换器功能，可支持低至0.9 V的电源供电。

Atmel ATtiny43U 8位MCU具有集成升压转换器，仅需外部电感，二极管和旁路电容可支持低至0.7 V的工作电压（图7）。独立于MCU工作时，只要VBAT上有足够的电压，片上转换器就会自动启动，尽管设计人员可以禁用此升压功能。升压转换器交替地存储和从外部电感器提取能量，该外部电感器必须落入制造商规定的电感值范围内。使用过低的电感值会增加电感中的峰值电流并降低转换器效率，而过高的值会使转换器进入不稳定状态。

图7 ：Atmel ATtiny43U MCU具有片内升压转换器，仅需要通常的外部元件，包括电感器。 （由Atmel提供。）

赛普拉斯半导体提供升压转换器组件，允许工程师配置其PSoC升压转换器硬件模块，将默认的1.8 V输入电压修改为低至0.5 V的值。升压功能支持待机和有源工作模式，在工作模式下提供高达5.5 V的输出电压。尽管如此，由于内部泵电路中使用的内部开关的相对高的电阻，内置开关模式泵通常限于驱动50至70mA的负载电流。然而，通过使用外部开关而不是依赖内部开关，工程师可以实现更高的输出电流水平 - 高达500 mA - 来驱动周期性峰值负载，如无线通信。

结论

能够在输入电压低于1 V的情况下工作，专用升压转换器在能量收集设计中发挥着关键作用。这些器件采用开关拓扑结构和最少的外部元件，可将传感器和储能器件的低电压电平提升至应用电路所需的电平。对于超低输入电压要求，一类特殊的能量采集IC可以在几十毫伏的输入电压范围内工作，从而最大限度地提高弱电源的能量提取。最后，专为MCU设计的升压转换器简化了基于MCU的能量收集设计的合适电源的创建。通过利用可用的升压转换器，工程师可以设计出高效的能量收集应用，即使环境能源通常可以提供非常低的电压，也能够保持全面运行。