超低輸入電壓升壓電路解決方案

       便攜式產(chǎn)品一般都采用電池供電，而因?yàn)槌杀竞腕w積方面的考慮，在設(shè)計(jì)上有減少使用電池?cái)?shù)量及體積的趨勢(shì)。另外，亦因全球能源問(wèn)題，各種各類的電池使用已備受關(guān)注了。當(dāng)中包括太陽(yáng)能電池及燃料電池。

       而這樣就會(huì)影響到電源電壓比設(shè)備所需的工作電壓為低。這時(shí)候，就必須要追加升壓電路了。一般使用的是DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。

       而在這超低輸入電壓的情況下，設(shè)計(jì)工程師就會(huì)面臨以下的難題。
       1 開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。
       2 升壓電路的啟動(dòng)問(wèn)題。
       3 最大占空比MaxDuty的問(wèn)題。

       在這三個(gè)主要問(wèn)題上，究竟有沒(méi)有好的解決方法呢？答案是肯定的。以下，我們會(huì)一一探討。

       開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

       傳統(tǒng)DC/DC的工作電壓一般都在1.0V以上，而如果輸入電壓降到0.6V以下，DC/DC的內(nèi)部電路不能正常工作。

       以圖1為例，若開(kāi)關(guān)DC/DC的驅(qū)動(dòng)電壓取自輸入電源的話。當(dāng)電源電壓低于DC/DC驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候，DC/DC便無(wú)法啟動(dòng)。



圖1 驅(qū)動(dòng)電壓取自輸入電源

       那么，若如圖2所示，在輸出端取電又如何呢？



圖2 驅(qū)動(dòng)電壓取自輸出電壓

       同樣，當(dāng)電源電壓低于DC/DC驅(qū)動(dòng)電壓，DC/DC根本無(wú)法啟動(dòng)及進(jìn)行任何升壓動(dòng)作。但是，若DC/DC一旦被啟動(dòng)，整個(gè)電路便可持續(xù)動(dòng)作了。

       升壓電路的啟動(dòng)問(wèn)題

       在這時(shí)候，又帶出了另外一個(gè)問(wèn)題，就是在這樣低輸入電壓的情況下如何啟動(dòng)這一顆DC/DC呢？

       這時(shí)，我們就需考慮增加一個(gè)啟動(dòng)電路，如圖3所示。



圖3 增加啟動(dòng)IC的升壓電路的啟動(dòng)

      精工電子有限公司（SII）推出的S-882Z系列充電泵產(chǎn)品就能使這個(gè)問(wèn)題迎刃而解。


      S-882Z系列按放電開(kāi)始電壓大小有4個(gè)品種：分別為1.8V、2.0V、2.2V及2.4V，在型號(hào)后綴中用18、20、22及24來(lái)區(qū)分。例如，S-882Z20是放電開(kāi)始電壓為2.0V的充電泵。

      該系列主要特點(diǎn)：

      ● 輸入電壓VIN范圍：
在Ta=-30～+60℃時(shí)為0.3～3.0V，
在Ta=-40～+85℃時(shí)為0.35～3.0V；
      ● 工作時(shí)的消耗電流在VIN=0.3V時(shí)為0.5mA（最大值）；
      ● 有關(guān)閉控制，在關(guān)閉狀態(tài)或稱休眠狀態(tài)時(shí)耗電小于0.6μA（VIN=0.3V）；
      ● 關(guān)閉控制電壓為放電開(kāi)始電壓加0.1V（≤3.0V）；
      ● 內(nèi)部振蕩器頻率350kHz；
      ● 外部?jī)H接一個(gè)啟動(dòng)電容（CCPOUT）；
      ● 小尺寸SOT-23-5封裝；
      ● 無(wú)鉛。

      S-882Z的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。



圖4 S-882Z內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖


      下面，我們就來(lái)具體看看S-882Z的工作原理（見(jiàn)圖5）。



圖5 S-882Z的工作原理

      1 對(duì)S-882Z系列的VIN端子輸入0.3V以上的電壓時(shí)，振蕩電路就可以開(kāi)始工作，并從振蕩電路輸出CLK信號(hào)。

      2 通過(guò)此CLK信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)充電泵電路，并在充電泵電路中將VIN端子的電壓轉(zhuǎn)換為升壓電壓。

      3 從充電泵電路輸出的升壓電壓，會(huì)緩慢地充電到與CPOUT端子相連接的啟動(dòng)用電容器(CCPOUT)中，因此，CPOUT端子的電壓會(huì)緩慢地上升。

      4 當(dāng)CPOUT端子電壓(VCPOUT)達(dá)到放電開(kāi)始電壓(VCPOUT1)以上時(shí)，轉(zhuǎn)換器(COMP1)的輸出信號(hào)就會(huì)從高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢?。因此，處于“關(guān)”的狀態(tài)的放電控制開(kāi)關(guān)(M1)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_(kāi)”的狀態(tài)。

      5 M1變?yōu)椤伴_(kāi)”的狀態(tài)之后，CCPOUT處所充電的升壓電力會(huì)從OUT端子處開(kāi)始放電。

      6 由于放電，當(dāng)VCPOUT降低到放電停止電壓(VCPOUT2)時(shí)，M1就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣P(guān)”的狀態(tài)而停止放電。

      7 當(dāng)VM端子電壓(VVM)達(dá)到開(kāi)/關(guān)控制電壓(VOFF)以上時(shí)，轉(zhuǎn)換器(COMP2)的輸出信號(hào)(EN-)就會(huì)從低電位轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娢弧Ｒ虼?，振蕩電路?huì)停止工作，并轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。

      8 當(dāng)VVM不能達(dá)到VOFF以上時(shí)，會(huì)利用來(lái)自充電泵電路的升壓電力來(lái)對(duì)CCPOUT進(jìn)行再充電，并返回到(3)的工作。

      S-882Z系列主要應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、燃料電池等低壓電源的升壓；RF標(biāo)簽內(nèi)部的電壓升壓（如用于高速公路收費(fèi)系統(tǒng)）；為間斷工作系統(tǒng)提供電源。

      最大占空比MaxDuty的問(wèn)題

      對(duì)與超低輸入升壓電路來(lái)說(shuō)，為了取得高的輸出電壓，必須要有大占空比的支持。占空比（Duty）的計(jì)算公式是：Duty=Ton/(Ton+Toff)。

      在連續(xù)電流模式下，占空比（Duty）的計(jì)算公式為Duty=1-Vin/Vout。按照這個(gè)公式來(lái)計(jì)算，如果是輸入0.5V時(shí)而輸出5V的升壓電路，最大占空比為90%，一般的升壓電路的占空比為80%～90%，這樣是不能完全滿足要求的。

      對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們可以考慮采用SII的高倍率升壓DC/DC S-8337B，其最大占空比就能達(dá)到94%。S-8337B的主要特點(diǎn)：輸入電壓為1.8～6.0V；基準(zhǔn)電壓為1.0～