超低功耗BOOST DC/DC转换器的研究与测试*

王璐子 吴 冉

(1.南阳理工学院电子与电气工程学院 南阳 473004)(2.南阳理工学院计算机与信息工程学院 南阳 473004)



超低功耗BOOST DC/DC转换器的研究与测试*

王璐子1吴 冉2

(1.南阳理工学院电子与电气工程学院 南阳 473004)(2.南阳理工学院计算机与信息工程学院 南阳 473004)

随着信息时代的发展,高效提取和管理从诸如光源、热源或机械能源采集的毫瓦至微瓦级能量,在满足日益增强的用户体验方面尤为重要,但采集如此微弱的能量,也对能量收集技术提出了更高的要求。超低功耗Boost DC/DC充电器是一种静态流耗极低的升压充电电路,利用开关稳压器架构在输入源能量较低时开启冷启动电路给输出供电,保证系统能够在超低功耗下运行;当充电器输出电压达到预设升压阈值时,开启高效率主升压充电操作,主升压充电操作采用MPPT算法采集输入电压,轻负载条件下使用脉冲频率调制保持系统高效率。充电器采用冷启动电路和主升压充电电路相结合,不仅减少了升压充电器的启动和运行功率,而且最大限度地提高系统效率。

超低功耗; Boost DC/DC; 冷启动; MPPT; 脉冲频率调制

Class Number TM46

1 引言

随着信息时代的发展,高效提取和管理从诸如光源、热源或机械能源采集的微瓦至毫瓦级能量,在满足日益增强的用户体验方面尤为重要,但采集如此微弱的能量,也对能量收集技术提出了更高的要求。微能量采集之所以一直没有被真正地广泛应用,最大原因是其能量采集端所能收集到的能量与其实际能够推动的能量消耗端所消耗的能量之间一直处于不平衡的状态,简单点说也就是之前的技术采集的能量不够用。微能量主要是指太阳能10～10000μW/cm2;热能25～1000μW/cm2;振动50～250μW/cm2;RF 0.01～0.1μW/cm2,采集如此微弱的能量,对能量收集技术提出了更高的要求[8]。超低功耗升压DC/DC充电器静态流耗极低,仅为488nA左右,工作静态电流更是低至325nA,能收集光、热和震动源的微能量,具有可编输入电压、可编充电器输出电压,主要用在电池充电和保护、能量收集、太阳能充电器、热电发生器(TEG)收集、低功耗无线监视、智能建筑物控制、娱乐系统遥控和手持保健设备[1]。

2 超低功耗Boost DC/DC充电器系统设计

集成电路包含超静态电流的高效同步升压充电器。升压充电器从一个高阻抗直流源供电,比如一个太阳能电池板、TEG或充电模块。因此,通过升压充电器可调输入电压(VIN_DC)防止输入源失效,同时监视输出电压(VSTOR),当VSTOR达到电阻可编程过压阈值电平时(VBAT_OV)系统停止充电[10,18]。升压充电器基于一种开关稳压器架构,通过适当的开启和关闭各输入引脚之间的PFET,保持电路低功耗稳定运行。在轻负载条件下电路也都使用脉冲频率调制来保持效率[1]。升压充电器实行电池保护功能,可再利用电池或电容都能在能量输出引脚(VBAT)作为能量存储单元[4]。图1为超低功耗升压充电器系统功能图。

图1 超低功耗升压充电器系统功能图

2.1 使能控制电路

为了最大限度地调节系统的灵活性,使用两个使能引脚控制电路,一个命名为EN,与VBAT相连;另一个命名为VOUT_EN,与VSTOR相连。当EN为高电平,保证升压充电和电池管理电路都不工作,同时VBAT与VSTOR之间的场效应管关闭,这种模式称为挂起模式,芯片处于低耗能状态,能够长期维持电量。当EN为低电平时,分待机模式和运行模式[9]。表1是升压充电器使能功能表。VBAT_OK表示输出电池良好标志,其高低电平由VSTOR大小决定[6,17]。

表1 模式转换使能功能表

2.2 升压充电电路

升压操作包含两个输入升压电路,一个是低压冷启动电路,VIN_DC>VIN(CS)(冷启动阶段开始给VSTOR充电的最小输入电压)时,仅从VIN_DC获取能量[7]。另一个是主升压充电电路,用VSTOR_CHGEN表示冷启动操作结束主升压操作开始的标志,当VSTOR≥VSTOR_CHGEN时,偏置电路从VSTOR获取能量,开启主升压充电操作。

2.2.1 升压充电器冷启动操作

当EN=0,VIN_DC≥VIN(CS),且VBAT负载的存储元件不能把VSTOR充至VSTOR_CHGEN,开启冷启动电路。VIN(CS)表示冷启动阶段开始时,满足VSTOR充电的最小输入电压。冷开启电路实际上是一个未经调节的升压充电器,与主升压充电器相比效率较低。能量采集模块必须提供足够的功率才能使IC退出冷启动。

冷启动效率不及主升压充电器。如果没有可用的足够大的输入电源,冷启动电路将会持续运行,VSTOR输出电压将不会升至VSTOR_CHGEN而开启主升压充电器[12]。

2.2.2 主升压充电操作

启动主升压充电操作需满足EN=0且VSTOR≤VSTOR_CHGEN;有两种方式使VSTOR达到VSTOR_CHGEN[11]。

1) 通过冷启动电路;由图1可知,VSTOR引脚与VBAT引脚之间连有PFET,冷启动电路会同时给VBAT上的电容和存储元件充电至VSTOR_CHGEN电位[13]。

2) 连接一个存储元件;把该元件从VSTOR_CHGEN充电至VBAT。假设VBAT引脚连接一个已充电存储元件(可热插拔的)且VSTOR和VBAT上的电压都低于100mV,芯片开启VSTOR和VBAT之间的PFET,并在tBAT_HOT_PLUG(电池热插入VBAT引脚至PFET开启的时间)段时间内把电容CSTOR(VSTOR的外接电容)充电至VSTOR_CHGEN[14]。图1所示,用一个反向VBAT_OK信号启动该场效应管栅极。当VSTOR引脚电压到达内部电池欠压阈值(VBAT_UV)时,PFET保持开启,若VIN_DC能够提供足够大的功率,主升压充电器将给VBAT存储元件充电。当VSTOR在50ms内没有到达VBAT_UV,PFET就会禁止,冷启动电路[5]。

升压充电器开启的32ms内(同时EN保持低电平)充电器被禁用,输入电压上升至其开路电压VIN_DC,并获取VOC_SAMP(采集参考电压)用作下一个MPPT采样到来之前的充电操作提醒[2]。升压充电器实行脉冲频率调制(PFM)调节VIN_DC电压达到预设的参考电压(参考电压通过MPPT控制网络设定)[15]。当输入电压高于VREF_SAMP引脚电压时,输入电压转移到VSTOR引脚端继而获取下一个输入电压(VREF_SAMP是采样保持电路的输出,表示每次采样MPPT设置的新参考点;VOC_SAMP是MPPT网络的采样引脚,接VSTOR时采样值是输入源开路电压的80%,接地或连接VIN_DC与地之间的外部电阻分压器中点时是输入源开路电压的50%)[16]。

3 仿真验证及结果分析

由仿真软件设计超低功耗升压充电器电路如图2所示,仿真参数设定为:IIN=10μA,VSTOR分别为2V和3V。仿真输出充电器效率η=IIN*VIN_DC/(VSTOR*ISTOR)与输入电压VIN_DC的关系/波形图如图3所示[7]。由图可知,输入电流为10μA,输入电压到达0.2V之前,VIN_DC

仿真参数设定为:VIN=0.2V,VSTOR分别为2V、3V和5.5V,仿真输出充电器效率η=IIN×VIN_DC/(VSTOR×ISTOR)与输入电流IIN的关系/波形图如图4所示,IIN是由内部电流检测电路控制的输入电感电流。图中输入电压保持0.2V,输入电流以10倍频从0增大到100mA。启动阶段VSTOR越大开启充电操作的电流越大,运行阶段VSTOR越大充电效率越低,输入电流在0mA～0.1mA阶段上升速度较快(冷启动操作阶段),0.1mA～1mA阶段上升速度较慢(冷启动操作结束主升压操作开启)[3];1mA以后系统保持主升压充电操作。VSTOR上的电压达到VBAT_OV(电池过压阈值)时升压充电器被禁用,从而保护VBAT上的电池充电过度。为了使电池或VSTOR能够达到VBAT_OV,输入功率必须超过VSTOR负载所需功率。

图2 升压充电器外部电路结构图

图3 升压充电器效率与输入电压的关系

图4 升压充电器效率与输入电流的关系

4 结语

超低功耗Boost DC/DC充电器是一种静态流耗极低的升压充电电路。升压充电包含冷启动和主升压两种电路,在输入源能量较低时通过冷启动操作给输出端供电,当输出电压达到升压阈值时开启高效率主升压充电操作,保证了系统在超低功耗下持续运行。转换器基于一种开关稳压器架构,减少了启动和运行功率,最大限度提高效率,可实现各种应用的无电池充电,如无线传感器网络、监控系统、烟雾探测器、可佩戴医疗设备以及移动附件等。

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Research and Test on Ultra Low Power BOOST DC/DC Converter

WANG Luzi1WU Ran2

(1. College of Electronic and Electrical Engineering, Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004) (2. College of Computer and Information Engineering, Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004)

With the development of the information age, efficient extraction and management of milliwatt to micro watts level energy from such as light, heat or mechanical, are particularly important in meeting the increasing user experience. But to collect so weak energy, higher requirements should be put forward for the energy harvesting technology. Ultra low power boost DC/DC charger has a very low static current consumption from the boost charging circuit, using switching regulator architecture open cold start circuit when input source at a low energy to supply the output power, ensuring system to operate in ultra low power, when output voltage reaches the preset boost threshold, high efficiency main boost charging operation is open, main boost charging operation uses MPPT algorithm to sample the input voltage and uses pulse frequency modulation system to keep high efficiency in light load condition. The charger adopts the combination of the cold start circuit and the main boost charging circuit, which not only reduces the start-up and operating power of the booster charger, but also improves the system efficiency to the maximum extent.

ultra-low power consumption, Boost DC/DC, cold start, MPPT, pulse frequency modulation

2016年7月13日,

2016年8月30日

王璐子,女,硕士,助教,研究方向:信号与信息处理。吴冉,女,硕士,助教,研究方向:雷达与信号处理。

TM46

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.042