超低输入电压升压电路解决方案

只看该作者 · 2007-11-9 20:28

[日期：2007-11-8]

来源：今日电子/21IC 作者：李晓延

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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。
1 开关器件的驱动问题。
2 升压电路的启动问题。
3 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（C_CPOUT）；
● 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(C_CPOUT)中，因此，CPOUT端子的电压会缓慢地上升。

4 当CPOUT端子电压(V_CPOUT)达到放电开始电压(V_CPOUT1)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，C_CPOUT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(V_CPOUT2)时，M1就会转变为“关”的状态而停止放电。

7 当VM端子电压(V_VM)达到开/关控制电压(V_OFF)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V_OFF以上时，会利用来自充电泵电路的升压电力来对C_CPOUT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。
相关链接:http://www.21ic.com/news/html/67/show22983.htm