探索MCP1640單四節AAA電池升壓轉換器參考設計
探索MCP1640單四節AAA電池升壓轉換器參考設計
在電子設備的設計中，電源管理是至關重要的一環。尤其是在使用電池供電的設備中，如何提高電池的使用效率、延長電池壽命，是工程師們一直關注的問題。今天，我們就來深入了解一下Microchip的MCP1640單四節AAA電池升壓轉換器參考設計。
文件下載：MCP1640RD-4ABC.pdf
一、MCP1640器件概述
MCP1640是一款緊湊、高效的固定頻率升壓DC - DC轉換器。它為單節、雙節或三節堿性、鎳鎘、鎳氫電池，以及單節鋰離子或鋰聚合物電池供電的應用提供了簡單易用的電源解決方案，只需最少數量的外部組件。
1. 工作模式與特性
MCP1640能夠自動選擇最佳的工作模式，以實現效率最大化，包括PWM（脈沖寬度調制）和PFM（脈沖頻率調制）模式。它具有低靜態電流（典型值為19μA）、寬輸入電壓范圍（0.35至5.5V）和低啟動電壓（在1mA負載電流下為0.65V）。在關機模式下，其功耗小于1μA。
2. 產品變體
| Microchip提供了MCP1640的四種變體，以滿足不同的系統需求，具體如下： | 部件編號 | PWM/PFM模式 | PWM模式 | 真輸出斷開關機選項 | 輸入到輸出旁路關機選項 |
|---|---|---|---|---|---|
| MCP1640 | X | — | X | — | |
| MCP1640B | — | X | X | — | |
| MCP1640C | X | — | — | X | |
| MCP1640D | — | X | — | X |
MCP1640有SOT23 - 6和8 - LD DFN（2x3 mm）封裝可供選擇。更多關于MCP1640器件的信息，請參考MCP1640/B/C/D數據手冊。
二、參考設計概述
MCP1640單四節AAA電池升壓轉換器參考設計旨在展示MCP1640在微控制器應用中的特性，以優化電池壽命。該設計有助于工程師縮短產品設計周期。
1. 性能指標
在1.5V輸入和3.3V輸出的情況下，該電路板能夠提供130mA的負載電流。通過EN信號可以啟用和禁用MCP1640器件。啟用時，MCP1640將調節輸出電壓；禁用時，對于真輸出斷開關機選項，MCP1640會斷開輸入到輸出的路徑，從而降低無負載待機電流。
2. 參考設計套件內容
該參考設計套件包括：
- MCP1640單四節AAA電池升壓轉換器參考設計板（編號102 - 00318）
- 重要信息表
三、安裝與操作
1. MCP1640的特性
MCP1640能夠在較寬的范圍內調節輸出電壓（2.0V至5.5V），當由單節1.5V電池供電時，在3.3V輸出下通常能夠提供超過100mA的負載電流。其有助于優化電池壽命的關鍵特性包括：
- 高達96%的效率
- 輕載時的PFM開關模式
- 低輸入啟動電壓，典型值為1mA負載電流下的0.65V
- 低關機電壓（在輕負載條件下，輸入低至0.35V仍能持續工作）
- 真輸出斷開關機選項，防止輸入到輸出的泄漏電流（在此模式下，電池消耗小于1μA）
- 典型靜態電流為19μA
2. 參考設計的特性
該參考設計展示了帶有真輸出斷開關機選項的MCP1640器件在微控制器應用中的工作情況。它通過使用MCP1640和一個低成本的8位PIC微控制器，減少了長時間處于待機模式的應用的無負載輸入電流，從而優化了電池壽命。具體特性如下：
- 輸入電壓：單節AAA堿性電池
- 輸出電壓：3.3V
- 輸出電流：<130mA
- 高達75%的效率
- 待機電池電流：在1.5V輸入下為14.5μA
- 啟動電壓：在(V{IN}=1.2V)、(V{OUT}=3.3V)和(I_{OUT}=1mA)（電阻性負載）時為0.65V
- 自動PFM/PWM操作
- PWM開關頻率 = 500kHz
- 開/關開關按鈕，約25秒開啟
- LED狀態指示（輸出開啟和低電量）
- 帶有反向電池保護的Energizer電池座
3. 開始使用
電源輸入和輸出連接
參考設計板配備了創新的Energizer電池座，可防止AAA堿性電池反向插入。如果電池正確插入，電路板將進入待機模式。按下按鈕S1 2秒鐘可開啟輸出，輸出將保持約25秒。在此期間按下按鈕將關閉輸出。
電路板頂部還設有額外的連接器：
- TP1和TP5用于正極（(V_{IN})）
- TP2和TP4用于負極（GND）
這些連接器可幫助工程師使用外部電源為電路板供電，但最大輸入電壓不應超過3.3V輸出電壓（(V{IN}
輸出連接器為“OUT”，參考地為GND。當電路板由四節AAA堿性電池供電時，最大輸出電流為130mA，該電池的典型容量為600mAh。
電路板測試
測試電路板的步驟如下：
- 將四節AAA電池正確插入電池座。
- 如圖2 - 2所示，在“OUT”和“–”連接器之間連接電壓表和47Ω/0.5W電阻。
- 按下并按住按鈕約2秒鐘，LED應亮起。
- LED將亮起約25秒，在此期間，驗證“OUT”處是否有3.3V電壓。
- 按下并按住按鈕2秒鐘，驗證電源是否可以開啟和關閉。
需要注意的是，電阻R9未安裝，其焊盤可用于實驗。接頭J3也未安裝，可用于對微控制器進行重新編程。
4. 工作原理
電路板由四節AAA電池供電，電池典型容量為600mAh。電池插入后，應用程序將進入待機模式。在此模式下，PIC12F617微控制器大部分時間處于睡眠模式，僅從電池消耗幾微安的電流。MCP1640在關機模式下典型消耗0.75μA。當MCP1640處于正常工作模式時，在1.5V輸入下，無負載輸入電流約為70μA。為了降低電路板的平均輸入電流，MCP1640的EN輸入以較慢的速率進行脈沖控制，可將電流降低多達80%。
定期地，微控制器會短暫地從睡眠模式中喚醒，檢查其電源（VDD，來自MCP1640的VOUT引腳）是否達到2.3V閾值。這通過微控制器的內部模擬比較器實現，該比較器將VOUT的一部分（來自R4）與0.6V內部電壓參考進行比較。為了避免在無源組件上損失功率并簡化原理圖，應用程序還使用MCP1640的反饋網絡（R2 - R3 - R4）作為PIC MCU比較器的輸入。
PIC12F617微控制器可在低至2.0V的VDD下工作。如果檢測到2.3V閾值，微控制器的GP2引腳將在短時間內將MCP1640的EN引腳置高，以將輸出電容充電至3.3V的穩定電壓。之后，EN引腳再次被拉低，MCP1640進入真輸出斷開關機選項。輸出電容（C2）可將VOUT維持約2秒，直到達到2.3V閾值。
通過按下按鈕S1，微控制器的GP1端口將P - MOS晶體管（Q2）導通，為負載供電。負載將被供電一段固定的時間（約25秒），除非再次按下按鈕。
PIC12F617在開關負載（Q2）開啟時測量電池電壓。如果電池電壓低于0.8V，LED（D1）將閃爍。電池電壓通過R7 - C4濾波器和微控制器引腳3（GP4）上的A/D通道進行測量。
5. 編程PIC12F617微控制器
為了進行電路板評估，Microchip提供了可從其網站下載的固件包。電路板出廠時已編程為按下按鈕S1后輸出開啟10秒。當檢測到低電量條件（輸入小于0.8V）時，電路板上的綠色LED將閃爍，但電路板仍能在盡可能低的輸入電壓下工作。所有參數可根據輸出/輸入能力在固件中更改為所需的值。
源代碼注釋豐富，有助于用戶定義電路板。使用HI - TECH (C^{circledR})編譯器編譯源代碼并創建十六進制文件，以便下載到參考電路板。該編譯器可從Microchip網站下載，但評估板套件中不包含該編譯器。接頭J3可用于系統內電路編程，該接頭未安裝在電路板上，可焊接一個五針接頭連接器。可將PICkit? 3編程器連接到J3以對評估板進行編程。
四、附錄信息
1. 原理圖和布局
附錄A包含了MCP1640單四節AAA電池升壓轉換器參考設計的以下原理圖和布局：
- 電路板原理圖
- 電路板頂部絲印和焊盤
- 電路板頂部走線和焊盤
- 電路板底部絲印層
- 電路板底部走線、焊盤和絲印
2. 物料清單
| 附錄B列出了構建參考設計所需的部件，具體如下： | 數量 | 參考編號 | 描述 | 制造商 | 部件編號 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | AAAA | AAAA/E96堿性電池 | Energizer? | E96BP - 2 | |
| 1 | BATT1 | AAA電池座 | Energizer | ||
| 2 | C1, C2 | 陶瓷電容10μF 6.3V X7R 10% 0805 | Taiyo Yuden? | JMK212B7106KG - T | |
| 2 | C3, C4 | 陶瓷電容1.0μF 10V X7R 0805 | Taiyo Yuden | LMK212B7105KG - T | |
| 1 | D1 | LED芯片LED 570nm綠色0603 SMD | OSRAM Opto Semi - conductors Inc | LG Q971 - KN - 1 - 0 - 20 - R18 | |
| 0 | J3 | 不安裝 | Molex? Electronics | 22 - 03 - 2051 | |
| 5針垂直鍍錫接頭 | |||||
| 1 | L1 | 功率電感4.7μH | Coilcraft | EPL3015 - 472MLB (XFL3012 - 472ME) | |
| 1 | PCB | RoHS合規裸電路板 | 104 - 00318 | ||
| 1 | Q1 | N溝道MOSFET 60V 280mA SOT - 23 | Fairchild Semiconductor? | NDS7002A | |
| 1 | Q2 | P溝道MOSFET 20V 1A SSOT3 | Fairchild Semiconductor | NDS332P | |
| 1 | R1 | 電阻1MΩ 1/10W 5% 0603 SMD | Stackpole Electronics Inc | RMCF0603JT1M00 | |
| 1 | R2 | 電阻1.30MΩ 1/10W 1% 0603 | Panasonic? – ECG | ERJ - 3EKF1304V | |
| 1 | R3 | 電阻240kΩ 1/10W 0.1% 0603 SMD | Panasonic – ECG | ERA - 3AEB244V | |
| 1 | R4 | 電阻510kΩ 1/10W 1% 0603 SMD | Yageo | RC0603FR - 07510KL | |
| 1 | R5 | 電阻220kΩ 1/10W 5% 0603 SMD | Panasonic – ECG | ERJ - 3GEYJ224V | |
| 1 | R6 | 電阻330Ω 1/10W 5% 0603 SMD | Stackpole Electronics, Inc. | RMCF0603JT330R | |
| 1 | R7 | 電阻1kΩ 1/10W 5% 0603 SMD | Stackpole Electronics, Inc. | RMCF0603JT1K00 | |
| 1 | R8 | 電阻100kΩ 1/10W 5% 0603 SMD | Stackpole Electronics, Inc. | RMCF0603JT100K | |
| 0 | R9 | 不安裝 | Stackpole Electronics, Inc. | RMCF0603JT1M00 | |
| 電阻1MΩ 1/10W 5% 0603 SMD |
MCP1640單四節AAA電池升壓轉換器參考設計為電池供電的微控制器應用提供了一個高效、實用的電源解決方案。通過合理利用其特性和功能，工程師們可以有效地優化電池壽命，提高產品的性能和可靠性。你在實際應用中是否遇到過類似的電源管理問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。
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