便携式产品供电方案的三个主要问题
2022-09-28

  便携式产品一般都采用电池供电,而因为成本和体积方面的考虑,在设计上有减少使用电池数量及体积的趋势。另外,亦因全球能源问题,各种各类的电池使用已备受关注了。当中包括太阳能电池及燃料电池。

  而这样就会影响到电源电压比设备所需的工作电压为低。这时候,就必须要追加升压电路了。一般使用的是DC/DC升压转换器。

  而在这超低输入电压的情况下,设计工程师就会面临以下的难题:开关器件的驱动问题,升压电路的启动问题,最大占空比MaxDuty的问题。

  在这三个主要问题上,究竟有没有好的解决方法呢?答案是肯定的。以下,我们会一一探讨。

  开关器件的驱动问题

  传统DC/DC的工作电压一般都在1.0V以上,而如果输入电压降到0.6V以下,DC/DC的内部电路不能正常工作。

  以图1为例,若开关DC/DC的驱动电压取自输入电源的话。当电源电压低于DC/DC驱动电压的时候,DC/DC便无法启动。

 

图1 驱动电压取自输入电源

  那么,若如图2所示,在输出端取电又如何呢?

 

图2 驱动电压取自输出电压

  同样,当电源电压低于DC/DC驱动电压,DC/DC根本无法启动及进行任何升压动作。但是,若DC/DC一旦被启动,整个电路便可持续动作了。

  升压电路的启动问题

  在这时候,又带出了另外一个问题,就是在这样低输入电压的情况下如何启动这一颗DC/DC呢?

  这时,我们就需考虑增加一个启动电路,如图3所示。

 

图3 增加启动IC的升压电路的启动

  精工电子有限公司(SII)推出的S-882Z系列充电泵产品就能使这个问题迎刃而解。

  S-882Z系列按放电开始电压大小有4个品种:分别为1.8V、2.0V、2.2V及2.4V,在型号后缀中用18、20、22及24来区分。例如,S-882Z20是放电开始电压为2.0V的充电泵。

 

  该系列主要特点:

  ● 输入电压VIN范围:

  在Ta=-30~+60℃时为0.3~3.0V,

  在Ta=-40~+85℃时为0.35~3.0V;

  ● 工作时的消耗电流在VIN=0.3V时为0.5mA(最大值);

  ● 有关闭控制,在关闭状态或称休眠状态时耗电小于0.6μA(VIN=0.3V);

  ● 关闭控制电压为放电开始电压加0.1V(≤3.0V);

  ● 内部振荡器频率350kHz;

  ● 外部仅接一个启动电容(CCPOUT);

  ● 小尺寸SOT-23-5封装;

  ● 无铅。

  S-882Z的内部结构如图4所示。

 

图4 S-882Z内部结构框图

  下面,我们就来具体看看S-882Z的工作原理(见图5)。

 

图5 S-882Z的工作原理

  1 对S-882Z系列的VIN端子输入0.3V以上的电压时,振荡电路就可以开始工作,并从振荡电路输出CLK信号。

  2 通过此CLK信号来驱动充电泵电路,并在充电泵电路中将VIN端子的电压转换为升压电压。

  3 从充电泵电路输出的升压电压,会缓慢地充电到与CPOUT端子相连接的启动用电容器(CCPOUT)中,因此,CPOUT端子的电压会缓慢地上升。

  4 当CPOUT端子电压(VCPOUT)达到放电开始电压(VCPOUT1)以上时,转换器(COMP1)的输出信号就会从高电位转变为低电位。因此,处于“关”的状态的放电控制开关(M1)会转变为“开”的状态。

  5 M1变为“开”的状态之后,CCPOUT处所充电的升压电力会从OUT端子处开始放电。

  6 由于放电,当VCPOUT降低到放电停止电压(VCPOUT2)时,M1就会转变为“关”的状态而停止放电。

  7 当VM端子电压(VVM)达到开/关控制电压(VOFF)以上时,转换器(COMP2)的输出信号(EN-)就会从低电位转变为高电位。因此,振荡电路会停止工作,并转变为休眠状态。

  8 当VVM不能达到VOFF以上时,会利用来自充电泵电路的升压电力来对CCPOUT进行再充电,并返回到(3)的工作。

  S-882Z系列主要应用于太阳能电池、燃料电池等低压电源的升压;RF标签内部的电压升压(如用于高速公路收费系统);为间断工作系统提供电源。

 

  最大占空比MaxDuty的问题

  对与超低输入升压电路来说,为了取得高的输出电压,必须要有大占空比的支持。占空比(Duty)的计算公式是:Duty=TON/(Ton+Toff)。

  在连续电流模式下,占空比(Duty)的计算公式为Duty=1-Vin/Vout。按照这个公式来计算,如果是输入0.5V时而输出5V的升压电路,最大占空比为90%,一般的升压电路的占空比为80%~90%,这样是不能完全满足要求的。

  对于这个问题,我们可以考虑采用SII的高倍率升压DC/DC S-8337B,其最大占空比就能达到94%。S-8337B的主要特点:输入电压为1.8~6.0V;基准电压为1.0~±1.5V;工作电流为0.5mA(max);振荡频率为47~200kHz,能在外部设定;最大占空比为75%~94%,也可以外部设定;UVLO,软启动,外部相位补偿设定;动作温度范围为-40~ +85℃;采用TSSOP8封装。

  S-8337B的结构框图如图6所示。

 

图6 S-8337B结构框图

  完整的解决方案

  一个超低电压电源管理系统需要启动电路和升压电路的完美配合,用S-882Z系列配合S-8337B系列就能达到这个目标。图7为利用SII的S-882Z24和S-8337BAJA构成的超低输入电压升压电路,图8为该电路在0.5V输入情况下的效率曲线。

 

图7 S-882Z24+S-8337BAJA构成的超低输入电压升压电路

 

图8 0.5V下的电路效率曲线

  从图8中可以看出,在这10倍升压的情况下,而又需要达到200mA的输出电流,该电路的输出效率仍可达到80%以上,这已经是一个具突破性的方案了。

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