电池升压转换器的设计和优化

孙 玉，刘思佳

（河北汇能欣源电子技术有限公司，河北 石家庄 050051）

0 引言

随着电子产业的迅猛发展，类型各异的电池在众多便携式产品中获得了广泛应用。而在便携式产品设计中，减小电池尺寸和延长电池的使用寿命便是优化产品设计的目标之一。

MCP1640／B／C／D是MICROCHIP公司生产一款紧凑的高效率固定频率的升压直流／直流转换器。它为通过一节、两节或三节碱性电池、镍镉电池、镍氢电池，或者一节锂离子或锂聚合物电池供电的应用提供了一种易用的电源解决方案。具有高效、低静态电流、尺寸紧凑，外部所需元件数量少等特性。

本文详细介绍了高效地使用MCP1640／B／C／D器件的外围参数优化设计，并总结了延长电池寿命的方法。

1 估算电池使用时间

电池容量（以mAh为单位表示）可以指示在特定放电速率、特定截止电压下的电池寿命。对于碱性电池，给出了对应于恒定放电电流和规定截止电压的放电曲线（电池电压—使用时间曲线）。根据该曲线，可以通过将所需截止电压下的放电电流（mA）乘以时间（h）得到可用容量。图1给出了AA／LR6碱性电池在室温下的典型100mA恒流放电曲线，在制造商的电池数据手册中可以找到该曲线图。例如，在截止电压为0.8V、放电电流为100mA时，该电池的容量将为100mA×25h＝2500mAh。同一电池，在截止电压为1.2V、放电电流同为100mA时，容量为100mA×15h＝1500mAh。

电压为0.8V时的典型AA／LR6碱性电池放电曲线综上所述，碱性电池的使用时间取决于放电电流和截止电压。放电电流越低，原电池效率就越高，如图2所示。截止电压会影响电池使用时间。通常来说，如果电池放电截止电压为0.8V，则将会使用大约95%的电池容量。

图1 放电电流为100mA截止

如果负载并不要求永久性的恒流，并且应用会不断开启和关闭，开启工作时间会影响电池使用时间。多出来的使用时间取决于负载电流和负载的开启／关闭时间。这种情况下，无法通过简单公式来计算电池寿命。

对于以恒定输出电流工作的升压转换器，输出功率也是恒定的，因此计算输入电流时必须考虑系统的效率（对于MCP1640来说很高）。由于电流消耗会随电池电压下降而升高，在低功耗应用中，如果效率很高，则可以将输入功率视为准恒定的。对于此类应用，可以根据图1给出的曲线，在考虑平均功耗的情况下在合理的容差范围内估算寿命。

对于可充电电池，近似估算使用时间的良好起点是Peukert定律（由德国科学家W.Peukert在1897年详细阐述），该定律给出铅酸电池容量与放电速率的关系。

图2 AA／LR6碱性电池在21℃下，对应于不同截止电压的典型恒流放电特性

其中：t＝放电时间（h）

C＝电池容量（Ah）

I＝放电电流（A）

k＝Peukrt常量

对于铅酸电池，k的值通常介于1.1和1.3之间。但对于理想电池，常量k等于1。这种情况下，实际容量与放电电流无关。

这是估算可充电电池寿命的最简单方式。图3给出了1800mAh镍氢电池的典型放电曲线。电池寿命取决于充电电流、放电电流和截止电压。如果使用的截止电压为0.9V，估算的使用时间将约为：

在0.5C下放电时，或者

在0.2C下放电时。

2 使用MCP1640延长电池使用时间的方法

根据电池状态（充电／放电周期数或充电算法以及环境温度），与计算值相比，使用寿命会下降。无论所选择电池的类型如何，在为升压直流／直流应用供电时，使用输入关断电压较低和启动电压较低（低至0.35V）的升压器件（例如MCP1640）会很重要。

MCP1640可以帮助提高电池寿命的关键特性有：（1）效率最高可达96%。（2）用于轻载的PFM模式。（3）低输入启动电压（1mA负载时的典型值为0.65V）。（4）低关断电压（MCP1640／B／C／D器件可在电压降至0.35V之前连续工作）。（5）真正输出断路EN功能，通过断开P沟道MOS体二极管来防止从输入到输出的泄漏电流（在该模式下，从电池消耗的电流小于1μA）。（6）19μA静态电流。

对于通过不可充电电池（例如碱性电池）供电、消耗数mA电流的应用，MCP1640器件可以一直工作到电压降至必需的最小输入电压，以完全利用所有电池电能。如图4所示，MCP1640可以在1mA负载的情况下使用0.65V的最小输入电压启动，并在输入电压降至0.35V之前不断进行输出电压稳压。要估算电池在电压低于截止值（0.8V）时的寿命，知道MCP1640器件的最小工作电压非常重要。

图3 1800mAh镍氢电池在不同放电速率下的典型放电时间—电池电压图

图4 进入阻性负载的最小启动和关断VIN—IOUT曲线

根据设计注意事项（尺寸和成本等）和负载需求，以下列出了一些可以提高电池寿命的技巧：

（1）选择直流串联电阻较低的电感。（2）选择输入和输出陶瓷电容（直流串联电阻较低）。（3）将输出电容增大，最大至100μF。（4）增大输入电容，以降低输入电压纹波和降低源阻抗。（5）增大反馈电阻（MΩ量级）。（6）通过驱动EN引脚来关闭和开启器件，接受较大的输出纹波电压来降低平均输入电流。在单片机应用中，该方法可以降低无负载待机电流。

增大反馈电阻阻值可以增大对FB引脚进行偏置的反馈电阻网络（连接在VOUT和GND之间）阻值。当然这不会影响MCP1640的稳定性。如果环境条件允许（湿度不会过高），可以使用兆欧级电阻。

可以通过使用通孔插装技术（Through Hole－Technology，THT）电阻来避免潜在的环境干扰问题。较小封装尺寸的0805和0603电阻（阻值为兆欧级）会在PCB上产生一条会改变VFB电压的泄漏电流路径。使用THT电阻进行的测试可得到最令人满意的结果，例如 RTOP＝6.8MΩ 且 RBOT＝3.9MΩ 时。

当EN引脚为低电平时，MCP1640C和MCP1640D会进入输入／输出旁路关断模式。在关断期间，内部P沟道MOS晶体管会导通，输入电压通过P沟道MOSFET以旁路方式送到输出上。对于在休眠模式下直接使用电源工作而在正常工作模式下则需要较高电压的应用，该功能可以降低静态电流。在关断模式下，MCP1640C／D从电池消耗的电流小于1μA。但反馈电阻也会消耗一部分电流。对于MCP1640C／D，在关断期间由反馈网络消耗的电流可能达到数μA，该电流大于MCP1640在关断模式下消耗的电流。分析图5，当两节电池串联（VIN＝2.4V典型值）时，在EN引脚为低电平时由反馈电阻消耗的电流可以使用公式8近似计算：

图5 增大对应于3.3V输出的反馈电阻阻值

一种解决方案是在关断期间，通过使用N沟道MOSFET来断开反馈电阻，以消除FB分压器电流路径，如图6所示。晶体管的栅极通过EN引脚进行控制。当EN为高电平且MCP1640C／D工作于升压模式时，N沟道FET会导通，反馈网络闭合。当EN引脚为低电平时，晶体管会关断，断开反馈电流路径。建议使用VGSth较低的N沟道 MOSFET。FDN337N是一种不错的选择，其栅极阈值电压低于2V。对反馈分压器使用FDN337N时，在待机模式下通过使用输入／输出旁路，MCP1640C的输入电流可降至0.75μA。

降低单片机应用中的待机（无负载）输入电流如果应用通过单节碱性电池或镍镉／镍氢电池（VIN＝1.2V）供电，并且应用长时间处于待机模式，则图6给出的框图将不适用，因为单片机至少需要2V的电压才能工作。在休眠模式下，单片机消耗的电流极低（数μA）。对于类似图7的典型应用，测量的输入电流为40μA至100μA。可以在真正输出断路模式下使用工作于PFM模式的MCP1640，通过在休眠模式下使用单片机来降低从电池消耗的输入电流。

注：不考虑电感或P沟道MOSFET上的电压。

通过将RTOP和RBOT增大为6.8MΩ和3.9MΩ，可以降低所消耗的电流，如以下公式所示：

图6 在MCP1640C的EN引脚为低电平时断开反馈电阻，使用输入／输出旁路

图7 MCP1640C与PIC单片机配合使用的典型应用——降低待机无负载电流

对于休眠模式或轻载应用，MCP1640的使能输入将以低速率驱动，以降低平均输入电流。EN引脚驱动频率取决于MCP1640输出电容值和单片机休眠电流。单片机只会为了开启MCP1640而唤醒（开启一小段时间来推升输出电压）。负载小于10μA时，将输出电容电压充电到3.3V的典型时间为750ns。

图8 试验结果——输出电压和驱动信号（上）以及短暂脉冲输入电流（下）：对EN引脚使用开关方法（另见图7和图10）

有几种不同的硬件和软件方法可以确定MCP1640／C器件的输出电压和／或用于使能和禁止MCP1640的EN信号的频率。例如，图7给出了两种低成本低元件数应用，它们使用PIC10F206来执行主要目标：降低待机模式下断开负载时的输入电流。当MCP1640处于关断状态时，它的典型消耗电流为0.75μA，但在使能模拟比较器的情况下，PIC10F206的消耗电流超出100μA。为了降低该电流，单片机大部分时间都工作于休眠模式。比较器会被定期使能（使用单片机的内部定时器），以验证MCP1640的输出电压。根据图7中的原理图，PIC10F206在一段很短时间中（当EN信号为高电平时）消耗的电流约为10μA，处于休眠模式时消耗的电流约为2μA。为了避免在无源元件上损失功耗，应用还使用MCP1640的反馈网络作为PIC®MCU比较器的输入（CIN＋比较器输入）。反相端输入CIN－与0.6V的内部PIC MCU参考电压连接。对于该应用，比较器的阈值电压约为2.3V。正占空比小于1%，EN信号的频率约为0.5Hz（见图8）。单片机会定期使能MCP1640，使之保持至少以2.0V的电压偏置。图9显示无负载时的输入电流大约降低了87%，从90μA降为11μA。使用按钮唤醒，EN信号会永久性地变为高电平，使用3.3V稳压电压为单片机供电。

由于PIC10F206通过MCP1640的输出供电，所以应用启动时，EN会有一小段时间为高电平。N沟道MOS晶体管用于驱动EN引脚。

看门狗定时器会定期使能PIC MCU。它的内部比较器会使能一小段时间，以验证MCP1640的输出电压。如果VOUT低于2.3V的阈值电压（通过R2、R3和R4电阻确定），则会有一个短暂的低电平信号将NDS7002晶体管的栅极驱动为低电平，以使能MCP1640。输出电容会使输出保持高于2.3V、持续时间超过2s。该解决方案演示了一种可用于长时间运行于休眠模式的任意PIC MCU应用的方法。通过实现该方法，电池寿命最高可以延长10倍。

图9 使用EN开关方法时，无负载电流降低87%

图10 应用示例——MCP1640和PIC10F206，用以降低待机电流

3 结语

在电池供电的低电压升压应用中，MCP1640／B／C／D有诸多灵活的功能可供选择。对MCP1640／B／C／D外围器件的优化和MCU的合理使用，可以减小在应用中的能量损耗，从而延长电池使用寿命。

［1］ MCP1640／B／C／D data sheet（DS22234A ）.

［2］ AN1311，“Single Cell Input Boost Converter Design”，（DS01311）.

［3］ “Alkaline Manganese Dioxide－Handbook and Application Manual”，Energizer Battery Manufacturing Inc.

［4］ Energizer E91Product Data Sheet，EnergizerHoldings，Inc.

［5］ “Alkaline Manganese Dioxide Battery，MN1500＿US＿CT，AA （LR6），Zn／MnO2battery Product Data Sheet”，Duracell.

［6］ GP180AAH Product Data Sheet，GP Batteries.