超低功耗BOOST DC/DC轉換器的研究與測試*

王璐子 吳 冉

(1.南陽理工學院電子與電氣工程學院 南陽 473004)(2.南陽理工學院計算機與信息工程學院 南陽 473004)

?

超低功耗BOOST DC/DC轉換器的研究與測試*

王璐子1吳 冉2

(1.南陽理工學院電子與電氣工程學院 南陽 473004)(2.南陽理工學院計算機與信息工程學院 南陽 473004)

隨著信息時代的發展,高效提取和管理從諸如光源、熱源或機械能源采集的毫瓦至微瓦級能量,在滿足日益增強的用戶體驗方面尤為重要,但采集如此微弱的能量,也對能量收集技術提出了更高的要求。超低功耗Boost DC/DC充電器是一種靜態流耗極低的升壓充電電路,利用開關穩壓器架構在輸入源能量較低時開啟冷啟動電路給輸出供電,保證系統能夠在超低功耗下運行;當充電器輸出電壓達到預設升壓閾值時,開啟高效率主升壓充電操作,主升壓充電操作采用MPPT算法采集輸入電壓,輕負載條件下使用脈沖頻率調制保持系統高效率。充電器采用冷啟動電路和主升壓充電電路相結合,不僅減少了升壓充電器的啟動和運行功率,而且最大限度地提高系統效率。

超低功耗; Boost DC/DC; 冷啟動; MPPT; 脈沖頻率調制

Class Number TM46

1 引言

隨著信息時代的發展,高效提取和管理從諸如光源、熱源或機械能源采集的微瓦至毫瓦級能量,在滿足日益增強的用戶體驗方面尤為重要,但采集如此微弱的能量,也對能量收集技術提出了更高的要求。微能量采集之所以一直沒有被真正地廣泛應用,最大原因是其能量采集端所能收集到的能量與其實際能夠推動的能量消耗端所消耗的能量之間一直處于不平衡的狀態,簡單點說也就是之前的技術采集的能量不夠用。微能量主要是指太陽能10～10000μW/cm2;熱能25～1000μW/cm2;振動50～250μW/cm2;RF 0.01～0.1μW/cm2,采集如此微弱的能量,對能量收集技術提出了更高的要求[8]。超低功耗升壓DC/DC充電器靜態流耗極低,僅為488nA左右,工作靜態電流更是低至325nA,能收集光、熱和震動源的微能量,具有可編輸入電壓、可編充電器輸出電壓,主要用在電池充電和保護、能量收集、太陽能充電器、熱電發生器(TEG)收集、低功耗無線監視、智能建筑物控制、娛樂系統遙控和手持保健設備[1]。

2 超低功耗Boost DC/DC充電器系統設計

集成電路包含超靜態電流的高效同步升壓充電器。升壓充電器從一個高阻抗直流源供電,比如一個太陽能電池板、TEG或充電模塊。因此,通過升壓充電器可調輸入電壓(VIN_DC)防止輸入源失效,同時監視輸出電壓(VSTOR),當VSTOR達到電阻可編程過壓閾值電平時(VBAT_OV)系統停止充電[10,18]。升壓充電器基于一種開關穩壓器架構,通過適當的開啟和關閉各輸入引腳之間的PFET,保持電路低功耗穩定運行。在輕負載條件下電路也都使用脈沖頻率調制來保持效率[1]。升壓充電器實行電池保護功能,可再利用電池或電容都能在能量輸出引腳(VBAT)作為能量存儲單元[4]。圖1為超低功耗升壓充電器系統功能圖。

圖1 超低功耗升壓充電器系統功能圖

2.1 使能控制電路

為了最大限度地調節系統的靈活性,使用兩個使能引腳控制電路,一個命名為EN,與VBAT相連;另一個命名為VOUT_EN,與VSTOR相連。當EN為高電平,保證升壓充電和電池管理電路都不工作,同時VBAT與VSTOR之間的場效應管關閉,這種模式稱為掛起模式,芯片處于低耗能狀態,能夠長期維持電量。當EN為低電平時,分待機模式和運行模式[9]。表1是升壓充電器使能功能表。VBAT_OK表示輸出電池良好標志,其高低電平由VSTOR大小決定[6,17]。

表1 模式轉換使能功能表

2.2 升壓充電電路

升壓操作包含兩個輸入升壓電路,一個是低壓冷啟動電路,VIN_DC>VIN(CS)(冷啟動階段開始給VSTOR充電的最小輸入電壓)時,僅從VIN_DC獲取能量[7]。另一個是主升壓充電電路,用VSTOR_CHGEN表示冷啟動操作結束主升壓操作開始的標志,當VSTOR≥VSTOR_CHGEN時,偏置電路從VSTOR獲取能量,開啟主升壓充電操作。

2.2.1 升壓充電器冷啟動操作

當EN=0,VIN_DC≥VIN(CS),且VBAT負載的存儲元件不能把VSTOR充至VSTOR_CHGEN,開啟冷啟動電路。VIN(CS)表示冷啟動階段開始時,滿足VSTOR充電的最小輸入電壓。冷開啟電路實際上是一個未經調節的升壓充電器,與主升壓充電器相比效率較低。能量采集模塊必須提供足夠的功率才能使IC退出冷啟動。

冷啟動效率不及主升壓充電器。如果沒有可用的足夠大的輸入電源,冷啟動電路將會持續運行,VSTOR輸出電壓將不會升至VSTOR_CHGEN而開啟主升壓充電器[12]。

2.2.2 主升壓充電操作

啟動主升壓充電操作需滿足EN=0且VSTOR≤VSTOR_CHGEN;有兩種方式使VSTOR達到VSTOR_CHGEN[11]。

1) 通過冷啟動電路;由圖1可知,VSTOR引腳與VBAT引腳之間連有PFET,冷啟動電路會同時給VBAT上的電容和存儲元件充電至VSTOR_CHGEN電位[13]。

2) 連接一個存儲元件;把該元件從VSTOR_CHGEN充電至VBAT。假設VBAT引腳連接一個已充電存儲元件(可熱插拔的)且VSTOR和VBAT上的電壓都低于100mV,芯片開啟VSTOR和VBAT之間的PFET,并在tBAT_HOT_PLUG(電池熱插入VBAT引腳至PFET開啟的時間)段時間內把電容CSTOR(VSTOR的外接電容)充電至VSTOR_CHGEN[14]。圖1所示,用一個反向VBAT_OK信號啟動該場效應管柵極。當VSTOR引腳電壓到達內部電池欠壓閾值(VBAT_UV)時,PFET保持開啟,若VIN_DC能夠提供足夠大的功率,主升壓充電器將給VBAT存儲元件充電。當VSTOR在50ms內沒有到達VBAT_UV,PFET就會禁止,冷啟動電路[5]。

升壓充電器開啟的32ms內(同時EN保持低電平)充電器被禁用,輸入電壓上升至其開路電壓VIN_DC,并獲取VOC_SAMP(采集參考電壓)用作下一個MPPT采樣到來之前的充電操作提醒[2]。升壓充電器實行脈沖頻率調制(PFM)調節VIN_DC電壓達到預設的參考電壓(參考電壓通過MPPT控制網絡設定)[15]。當輸入電壓高于VREF_SAMP引腳電壓時,輸入電壓轉移到VSTOR引腳端繼而獲取下一個輸入電壓(VREF_SAMP是采樣保持電路的輸出,表示每次采樣MPPT設置的新參考點;VOC_SAMP是MPPT網絡的采樣引腳,接VSTOR時采樣值是輸入源開路電壓的80%,接地或連接VIN_DC與地之間的外部電阻分壓器中點時是輸入源開路電壓的50%)[16]。

3 仿真驗證及結果分析

由仿真軟件設計超低功耗升壓充電器電路如圖2所示,仿真參數設定為:IIN=10μA,VSTOR分別為2V和3V。仿真輸出充電器效率η=IIN*VIN_DC/(VSTOR*ISTOR)與輸入電壓VIN_DC的關系/波形圖如圖3所示[7]。由圖可知,輸入電流為10μA,輸入電壓到達0.2V之前,VIN_DC

仿真參數設定為:VIN=0.2V,VSTOR分別為2V、3V和5.5V,仿真輸出充電器效率η=IIN×VIN_DC/(VSTOR×ISTOR)與輸入電流IIN的關系/波形圖如圖4所示,IIN是由內部電流檢測電路控制的輸入電感電流。圖中輸入電壓保持0.2V,輸入電流以10倍頻從0增大到100mA。啟動階段VSTOR越大開啟充電操作的電流越大,運行階段VSTOR越大充電效率越低,輸入電流在0mA～0.1mA階段上升速度較快(冷啟動操作階段),0.1mA～1mA階段上升速度較慢(冷啟動操作結束主升壓操作開啟)[3];1mA以后系統保持主升壓充電操作。VSTOR上的電壓達到VBAT_OV(電池過壓閾值)時升壓充電器被禁用,從而保護VBAT上的電池充電過度。為了使電池或VSTOR能夠達到VBAT_OV,輸入功率必須超過VSTOR負載所需功率。

圖2 升壓充電器外部電路結構圖

圖3 升壓充電器效率與輸入電壓的關系

圖4 升壓充電器效率與輸入電流的關系

4 結語

超低功耗Boost DC/DC充電器是一種靜態流耗極低的升壓充電電路。升壓充電包含冷啟動和主升壓兩種電路,在輸入源能量較低時通過冷啟動操作給輸出端供電,當輸出電壓達到升壓閾值時開啟高效率主升壓充電操作,保證了系統在超低功耗下持續運行。轉換器基于一種開關穩壓器架構,減少了啟動和運行功率,最大限度提高效率,可實現各種應用的無電池充電,如無線傳感器網絡、監控系統、煙霧探測器、可佩戴醫療設備以及移動附件等。

[1] 徐俊毅.低功耗時代的電源管理[J].電子與電腦,2010,12(8):26-30. XU Junyi. Power Management in Era of Low Power Consumption[J]. Electronic and Computer,2010,12(8):26-30.

[2] 黃譚友,楊啟洪,廖繼海.太陽能升壓與電池充電控制電路的研究[J].實驗技術與管理,2007,24(12):35-36. HUANG Tanyou, YANG Qihong, LIAO Jihai. Research on Solar Energy Boost and Battery Charging Control Circuit[J]. Experimental Technology and Management,2007,24(12):26-30.

[3] 葉強,陳偉新,潘琳.一種基于升壓電路的電池充電控制裝置[P].中國專利:104753139A,2015-03-31. YE Qiang, CHEN Weixin, PAN Lin. Battery Charging Control Device based on Boosting Circuit[P]. CN104753139A,2015-03-31.

[4] 趙少敏.一種低功耗、電流模式降壓DC/DC轉換器的研究與測試[D].成都:電子科技大學,2015. ZHAO Shaomin. Research and Test of a Low Power、Current Mode Buck DC/DC Converter[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology,2015.

[5] 楊波.一種高效率低功耗DC-DC升壓轉換芯片設計[D].電子科技大學,2010. YANG Bo. Design of a High Efficiency and Low Power DC-DC Boost Converter[D]. University of Electronic Science and Technology,2010.

[6] 袁燕玲,周粲.低功耗升壓型DC-DC轉換器SP6644/6645及其應用[J].電子設計工程,2003(9):47-49. YUAN Yanling, ZHOU Can. Low Power Consumption Boost DC-DC Converter SP6644/6645 and its Application[J]. Electronic Design Engineering,2003(9):47-49.

[7] 張曉明,解光軍,程心.一種新的用于電流模式DC-DC Boost變換器SPICE模型[J].電子器件,2008,31(6):1836-1839. ZHANG Xiaoming, XIE Guangjun, CHENG Xin. A New SPICE Model for Current Mode Boost DC-DC Converter[J]. Electronic Device,2008,31(6):1836-1839.

[8] 嚴海旭.一種雙向DC-DC變換器的設計與研究[D].南京:南京林業大學,2012. YAN Haixu. Design and Research of a Bidirectional DC-DC Converter[J]. Nanjing: Nanjing Forestry University,2012.

[9] 沈燁燁.燃料電池DC/DC變換器建模與控制[D].杭州:浙江大學,2014. SHEN Yeye. Modeling and Control of DC/DC Converter for Fuel Cell[D]. Hangzhou: Zhejiang University,2014.

[10] 郎堃,林維明,徐玉珍.雙向DC/DC變換器電路拓撲的現狀[C]//中國電工技術學會電力電子學會學術年會論文集.福州大學電氣工程與自動化學院,2008. LANG Kun, LIN Weiming, XU Yuzhen. Current Situation of Circuit Topology of Bidirectional DC/DC Converter[C]//Academic Annual Meeting Proceedings of China Institute of Electrical Technology. School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University,2008.

[11] 安國平,曾國宏,張維戈,等.寬電壓范圍輸出的雙向DC/DC變換器的研究[J].機械與電子,2010(6):32-35. AN Guoping, ZENG Guohong, ZHANG Weige. Research on Bidirectional DC/DC Converter with Wide Voltage Range Output[J]. Machinery and Electronics,2010(6):32-35.

[12] 童亦斌,吳崓,金新民,等.雙向DC/DC變換器的拓撲研究[J].中國電機工程學報,2007,27(13):81-86. TONG Yibin, WU Gu, JIN Xinmin, et al. Topological Study of Bidirectional DC/DC Converter[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering,2007,27(13):81-86.

[13] 陳靈敏.一種應用于電動汽車的DC/DC變換器研究[J].通信電源技術,2009,26(4):11-13. CHEN Lingmin. Study on a DC/DC Converter Applied in Electric Vehicle[J]. Communication Power Technology,2009,26(4):11-13.

[14] 廖志凌,阮新波.一種獨立光伏發電系統雙向變換器的控制策略[J].電工技術學報,2008,23(1):97-103. LIAO Zhiling, RUAN Xinbo. Control Strategy of an Independent Photovoltaic Power Generation System with Bidirectional Converter[J]. Transactions of China Electrical Engineering Society,2008,23(1):97-103.

[15] 王英武,王俊峰,劉佑寶,等.DC/DC變換器小信號建模與補償網絡設計[J].電力電子技術,2009,43(3):26-28. WANG Yingwu, WANG Junfeng, LIU Youbao, et al. Design of Small Signal Modeling and Compensation Network for DC/DC Converter[J]. Power Electronic Technology,2009,43(3):26-28.

[17] 馬俊超,孔飛,賀凡波,等.一種含光伏電源的微電網系統能量管理策略[J].電力電子技術,2012,46(10):2-5. MA Junchao, KONG Fei, HE Fanbo, et al. Energy Management Strategy of Micro Grid System with Photovoltaic Power Supply[J]. Power Electronic Technology,2012,46(10):2-5.

[18] SUN Xiaojuan. Study and design of boost circuit with low power consumption[J]. Journal of Baoji University of Arts and Sciences(Natural Science),2010,30(2):68-69,73.

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,碩士,助教,研究方向:信號與信息處理。吳冉,女,碩士,助教,研究方向:雷達與信號處理。

TM46

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.042