今天的很多微控制器與SoC架構都包含一個片上的升壓轉換器，可接受電池和其它電源提供的輸入電壓，得到可選擇的高于輸入端的輸出電壓。

　　便攜應用中獲得長電池壽命是一個艱巨的任務。做功耗優化的設計人員必須考慮到很多因素，如電源設計、元器件選擇、高效的固件結構（如果有）、多種低功耗工作模式的管理，以及PCB布線設計。本文探討了用SMP（開關模式泵）做為升壓轉換器，以解決系統電源的問題。

　　任何微控制器所需要的典型工作電壓至少要3.3V，當然對其核心來說，1.8V 就足以工作。AA或AAA電池在滿充時提供的電壓為1.3V~1.5V，因此系統需要兩只電池才能工作。由于電池放電終止時電壓會低于0.9V，此時即使有兩只電池，系統也不能運行。

　　但使用了升壓轉換器后，微控制器可以將單只電池的電壓提升到1.8V或更高。升壓轉換器不僅能讓系統用一只電池工作，而且在電池電壓掉到0.5V時，也能維持系統的運行。另外，太陽能電池供電的設備（一般是面向小體積的消費型產品）也可以用升壓轉換方法，這樣用單只0.5V的太陽能電池就可以工作，而不必用3只0.5V的電池。開發人員也可以在電壓過低、無法做升壓的情況下，采用諸如RAM維持的低功耗模式技術（此時用戶就能更換電池，然后系統恢復運行而不會發生中斷），以保護系統的數據。

　　榨干電池能量

　　圖1是一只2500 mAhr容量AA電池的放電曲線。考慮這樣一個應用，它包含有1.8V工作的控制器或SoC，平均耗電為10 mA。預計電池的持續工作時間為2500 mAh r/10 mA，即250 小時。如圖1所示，當電池電壓跌至0.9V時，它的容量已放掉了大約2200 mAh r。過了這個點，即使用兩只電池（假設微控制器工作電壓為1.8V），控制器中現有功能也不能正常工作。這意味著電池剩下的300mAhr（或10%多的電量）無法使用。

　　如果微控制器中有開關模式泵，就可以將電池電壓提升到一個適合的可用電壓。微控制器制造商提供了一個選擇可用電壓的選項，使電壓能夠升到可為應用供電的1.8V或更高，哪怕電池電壓跌到1V以下。于是，系統就能從仍剩余300mAhr的電池中獲得一部分電量。

　　但在低于某個輸入電壓時，升壓電路也無法工作了，因此限制了系統獲取全部剩余能量。注意電池應能提供升壓工作的充足電流。升壓電路的輸入電流是輸入電池電壓與輸出提升電壓的一個函數。當電池電壓下降時，此電流因輸入電壓與輸出電壓兩者的差值增加而升高。

　　例如，考慮一個SMP，用于升壓到一個恒定3 V 輸出。任何系統中的電能總是恒定的，即輸出功率等于輸入功率。一個升壓轉換器的輸出功率要略低于輸入功率，因為用于轉換的元器件上也會有損耗，但我們這里假設是一個理想的升壓系統，即沒有損耗。開始時，1.5 V電池的輸入被升高到3 V，為一個負載提供50 m A電流，輸入電流則為（（3×50）/1.5 ） mA=100 mA。當電池電壓跌至1V時，要維持相同的輸出電壓，所需要的輸入電流會增加（功率恒定不變），此時的輸入電流為（（3×50）/1）mA=150mA。這樣，升壓轉換器就提供了一個恒定的輸出穩壓。

　　架構

　　圖2是一個SoC 內置SMP升壓轉換器與一個外接式升壓轉換器的電路架構比較圖。圖2a中顯示的升壓轉換器有兩段：一個存儲段，此時開關為開；一個放電段，此時開關為閉。當開關導通時，電感以磁場形式存儲來自電池的能量。當開關不導通時，電感繼續向相同方向提供電流， 使結點VSMP上的電壓“反激”（fly back）到一個高于電容電壓的電壓值。這一動作觸發二極管開始導通，從而使電感中存儲的電荷輸送到濾波器電容中。一個PWMVSW負責開關的開合。

　　在一只微控制器中（圖2b），是一個片上的發生單元提供這個開關波形。保護二極管可以內置在微控制器芯片上，或可以外接。開發者唯一要接的一個元件就是電感線圈與濾波電容。在圖2b所示SoC中，VDDA和VDDD是芯片的供電電壓。

　　設計技巧

　　嵌入方案中使用的小功率低輸入電壓SMP要求有高的效率，這類應用都有空間與成本的約束，不過開關元件和無源元件的損耗都會限制效率的提高。控制器內置的MOSFET開關會帶來歐姆損耗以及開關損耗；開關頻率越高，開關損耗也越大。開關的阻抗主要在芯片的設計階段確定，電感損耗與開關損耗類似。設計人員必須選擇適當的開關頻率，以優化功率，并且必須根據開關頻率來選擇電感。

　　輸出電容的ESR（等效串聯電阻）可以產生很大的紋波。如果為降低成本而選擇鋁電解電容，則還應并聯一個瓷片電容，以減少紋波。所用電容大小決定了輸出的保持時間。建議采用肖特基二極管，因為它們有低的正向壓降和高的開關速度，但是肖特基二極管的正向壓降及其自身阻抗也造成了一些損耗。二極管的額定電流應大于兩倍的峰值負載電流。

　　圖2b中的SMP有一個內部二極管。不過在微控制器中， 用一只MOSFET開關來模擬這個二極管，MOSFET與SMP同步工作。如外接肖特基二極管，會因為二極管的正向壓降而造成較高的功率損耗，這個壓降一般約為0.4V。內置同步FET有較低的壓降（0.1V），因此盡量減少了損耗，提高了電池效率。

　　負載特性亦影響著SMP 的效率；如果不是一個恒定負載，則效率會下降。

　　為一個低輸入電壓SMP電路做布局設計必須非常小心。考慮一個0.5V起步的升壓轉換器，例如Cypress半導體公司的PSoC3（參考文獻1）可編程單系統芯片。我們假設升壓輸出預計為3V，50mA。當效率為100%時，輸入電流預計為（（3×50）/0.5）mA=300mA。在300mA電流泵入情況下，一根1Ω的PCB走線都可以輕易地產生0.3V壓降。盡管實際輸入電壓約為0.5V，但在升壓轉換器輸入端上卻只剩0.2V了。于是，SMP就無法以0.5V輸入電壓起動。電路板設計者可以采用一些布線方法來避免出現這種情況，如使用更寬更短的走線，放置元器件時使導電路徑盡量短。

　　另外一個設計問題是流入SMP的開關電流所產生的輻射。當電感存儲電荷時，輸入電流較高。另外，當電感存儲和釋放電能時，這個電流會在兩個極端之間轉換。

　　考慮一種由0.5V升壓至約3V的情況，假設負載電流約為50mA。此時，對理想SMP的輸入電流為300mA。如果轉換器是非理想的，則這個電流會更大。如果這個電流經過了任何長度的走線，則電磁輻射就會影響到鄰近電路的工作。舉例來說，假設周邊有任何模擬元件，則其性能可能會受影響。為避免出現這種情況，要采用接地的防護走線，將開關路徑與其它敏感元件隔離開來。

　　升壓轉換器的特性

　　任何需要高于電源電壓的系統，也都可以使用升壓轉換器。一個例子是在3.3V的系統中驅動一塊5V的LCD。

　　再舉個例子，如某個應用有一個控制器以及一塊用于無線通信的RF芯片（圖3）。RF芯片的工作可能需要3.3V電壓，而控制器只要1.8V就足夠了。此時，輸入的穩定電壓可以為控制器供電；同時，控制器上的SMP可以將輸入電壓升至3.3V，為RF芯片供電。于是，控制器上的SMP就可以用于需要多種電源的應用。

　　很多制造商都提供有片上SMP的SoC ， 具備獨有的特性。Cypress半導體公司的PS o C架構就是一個例子， 除了其它資源（ 如精密可編程模擬與數字元件）外還有一只SMP。SoC上的升壓轉換器可以工作在主動或待機模式。主動模式是一般的工作模式，此時升壓穩壓器獲得電池輸入電壓，產生一個輸出的穩壓。在待機模式時，大多數升壓功率都被關閉，以降低升壓電路的功率。轉換器可以配置為在待機模式下提供小功率小電流的穩壓。當輸出電壓小于設定值時，可以用外接的32kHz晶體，在內部時鐘的上升沿和下降沿上產生電感升壓脈沖，這種模式叫做ATM（自動錘打模式）。

　　主動模式的升壓電流一般為200μA，待機模式為12μA。開關頻率可以設定為100kHz、400kHz、2MHz或32 kHz ，以優化效率與元件成本。100kHz、400kHz和2MHz開關頻率來自于升壓轉換器中的內置振蕩器。當選擇32kHz開關頻率時，時鐘則來自于外接的32kHz晶振。32kHz外部時鐘主要用于升壓待機模式。

　　微控制器和SoC 的片上SMP有助于為小功率嵌入式應用提供電源。提高電池的效率，增加其持續使用時間，從而減少廢棄電池的數量。SMP也鼓勵設計人員去開發采用太陽能電池供電的系統。