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2018年六肖中特:用SMP解决系统电源问题

免费六肖中特 www.frjtf.cn 2019-3-17 17:24| 发布者: 南召修电视| 查看: 477| 评论: 0

摘要: 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 ...

       今天很多微控制器与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(假如有)、多种低功耗工作模式的管理,以及PCB布线设计。本文探讨用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??⑷嗽币部梢栽诘缪构?、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?;は低车氖?。

榨干电池能量


       图1是一只2500 mAhr容量AA电池的放电曲线??悸钦庋桓鲇τ?,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。

图1 这是一只2500mAhr容量AA电池的放电曲线,它表明当电池电压跌至0.9V时,已释放容量约为2200mArh。

       假如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??际?,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。?;ざ芸梢阅谥迷谖⒖刂破餍酒?,或可以外接??⒄呶ㄒ灰拥囊桓鲈褪堑绺邢呷τ肼瞬ǖ缛?。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??刂破髂谥玫腗OSFET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??氐淖杩怪饕谛酒纳杓平锥稳范?,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率来选择电感。

       输出电容的ESR(等效串联电阻)可以产生很大的纹波。假如为降低成本而选择铝电解电容,则还应并联一个瓷片电容,以减少纹波。所用电容大小决定了输出的保持时间。建议采用肖特基二极管,因为它们有低的正向压降和高的开关速度,但是肖特基二极管的正向压降及其自身阻抗也造成了一些损耗。二极管的额定电流应大于两倍的峰值负载电流。

       图2b中的SMP有一个内部二极管。不过在微控制器中, 用一只MOSFET开关来模拟这个二极管,MOSFET与SMP同步工作。如外接肖特基二极管,会因为二极管的正向压降而造成较高的功率损耗,这个压降一般约为0.4V。内置同步FET有较低的压降(0.1V),因此尽量减少了损耗,提高了电池效率。

       负载特性亦影响着SMP 的效率;假如不是一个恒定负载,则效率会下降。

       为一个低输入电压SMP电路做布局设计必须非常小心??悸且桓?.5V起步的升压转换器,例如Cypress半导体公司的PSoC3(参考文献1)可编程单系统芯片。我们假设升压输出预计为3V,50mA。当效率为100%时,输入电流预计为((3×50)/0.5)mA=300mA。在300mA电流泵入情况下,一根1Ω的PCB走线都可以轻易地产生0.3V压降。尽管实际输入电压约为0.5V,但在升压转换器输入端上却只剩0.2V了。于是,SMP就无法以0.5V输入电压起动。电路板设计者可以采用一些布线方法来避免出现这种情况,如使用更宽更短的走线,放置元器件时使导电路径尽量短。

       另外一个设计问题是流入SMP的开关电流所产生的辐射。当电感存储电荷时,输入电流较高。另外,当电感存储和释放电能时,这个电流会在两个极端之间转换。

       考虑一种由0.5V升压至约3V的情况,假设负载电流约为50mA。此时,对理想SMP的输入电流为300mA。假如转换器是非理想的,则这个电流会更大。假如这个电流经过了任何长度的走线,则电磁辐射就会影响到邻近电路的工作。举例来说,假设周边有任何模拟元件,则其性能可能会受影响。为避免出现这种情况,要采用接地的防护走线,将开关路径与其它敏感元件隔离开来。

升压转换器的特性

       任何需要高于电源电压的系统,也都可以使用升压转换器。一个例子是在3.3V的系统中驱动一块5V的LCD。

       再举个例子,如某个应用有一个控制器以及一块用于无线通信的RF芯片(图3)。RF芯片的工作可能需要3.3V电压,而控制器只要1.8V就足够了。此时,输入的稳定电压可以为控制器供电;同时,控制器上的SMP可以将输入电压升至3.3V,为RF芯片供电。于是,控制器上的SMP就可以用于需要多种电源的应用。

       很多制造商都提供有片上SMP的SoC , 具备独有的特性。Cypress半导体公司的PSoC架构就是一个例子, 除了其它资源( 如精密可编程模拟与数字元件)外还有一只SMP。SoC上的升压转换器可以工作在主动或待机模式。主动模式是一般的工作模式,此时升压稳压器获得电池输入电压,产生一个输出的稳压。在待机模式时,大多数升压功率都被关闭,以降低升压电路的功率。转换器可以配置为在待机模式下提供小功率小电流的稳压。当输出电压小于设定值时,可以用外接的32kHz晶体,在内部时钟的上升沿和下降沿上产生电感升压脉冲,这种模式叫做ATM(自动锤打模式)。

       主动模式的升压电流一般为200μA,待机模式为12μA??仄德士梢陨瓒ㄎ?00kHz、400kHz、2MHz或32 kHz ,以优化效率与元件成本。100kHz、400kHz和2MHz开关频率来自于升压转换器中的内置振荡器。当选择32kHz开关频率时,时钟则来自于外接的32kHz晶振。32kHz外部时钟主要用于升压待机模式。

       微控制器和SoC 的片上SMP有助于为小功率嵌入式应用提供电源。提高电池的效率,增加其持续使用时间,从而减少废弃电池的数量。SMP也鼓励设计人员去开发采用太阳能电池供电的系统。

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