探索MCP1640單四節(jié)AAA電池升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)
探索MCP1640單四節(jié)AAA電池升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)
在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。尤其是在使用電池供電的設(shè)備中，如何提高電池的使用效率、延長(zhǎng)電池壽命，是工程師們一直關(guān)注的問(wèn)題。今天，我們就來(lái)深入了解一下Microchip的MCP1640單四節(jié)AAA電池升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)。
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(zhuǎn)換器。它為單節(jié)、雙節(jié)或三節(jié)堿性、鎳鎘、鎳氫電池，以及單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池供電的應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單易用的電源解決方案，只需最少數(shù)量的外部組件。
1. 工作模式與特性
MCP1640能夠自動(dòng)選擇最佳的工作模式，以實(shí)現(xiàn)效率最大化，包括PWM（脈沖寬度調(diào)制）和PFM（脈沖頻率調(diào)制）模式。它具有低靜態(tài)電流（典型值為19μA）、寬輸入電壓范圍（0.35至5.5V）和低啟動(dòng)電壓（在1mA負(fù)載電流下為0.65V）。在關(guān)機(jī)模式下，其功耗小于1μA。
2. 產(chǎn)品變體
| Microchip提供了MCP1640的四種變體，以滿足不同的系統(tǒng)需求，具體如下： | 部件編號(hào) | PWM/PFM模式 | PWM模式 | 真輸出斷開(kāi)關(guān)機(jī)選項(xiàng) | 輸入到輸出旁路關(guān)機(jī)選項(xiàng) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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(guān)于MCP1640器件的信息，請(qǐng)參考MCP1640/B/C/D數(shù)據(jù)手冊(cè)。
二、參考設(shè)計(jì)概述
MCP1640單四節(jié)AAA電池升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)旨在展示MCP1640在微控制器應(yīng)用中的特性，以優(yōu)化電池壽命。該設(shè)計(jì)有助于工程師縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
1. 性能指標(biāo)
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(fù)載電流。通過(guò)EN信號(hào)可以啟用和禁用MCP1640器件。啟用時(shí)，MCP1640將調(diào)節(jié)輸出電壓；禁用時(shí)，對(duì)于真輸出斷開(kāi)關(guān)機(jī)選項(xiàng)，MCP1640會(huì)斷開(kāi)輸入到輸出的路徑，從而降低無(wú)負(fù)載待機(jī)電流。
2. 參考設(shè)計(jì)套件內(nèi)容
該參考設(shè)計(jì)套件包括：
- MCP1640單四節(jié)AAA電池升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)板（編號(hào)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(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓（2.0V至5.5V），當(dāng)由單節(jié)1.5V電池供電時(shí)，在3.3V輸出下通常能夠提供超過(guò)100mA的負(fù)載電流。其有助于優(yōu)化電池壽命的關(guān)鍵特性包括：
- 高達(dá)96%的效率
- 輕載時(shí)的PFM開(kāi)關(guān)模式
- 低輸入啟動(dòng)電壓，典型值為1mA負(fù)載電流下的0.65V
- 低關(guān)機(jī)電壓（在輕負(fù)載條件下，輸入低至0.35V仍能持續(xù)工作）
- 真輸出斷開(kāi)關(guān)機(jī)選項(xiàng)，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(tài)電流為19μA
2. 參考設(shè)計(jì)的特性
該參考設(shè)計(jì)展示了帶有真輸出斷開(kāi)關(guān)機(jī)選項(xiàng)的MCP1640器件在微控制器應(yīng)用中的工作情況。它通過(guò)使用MCP1640和一個(gè)低成本的8位PIC微控制器，減少了長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)模式的應(yīng)用的無(wú)負(fù)載輸入電流，從而優(yōu)化了電池壽命。具體特性如下：
- 輸入電壓：?jiǎn)喂?jié)AAA堿性電池
- 輸出電壓：3.3V
- 輸出電流：<130mA
- 高達(dá)75%的效率
- 待機(jī)電池電流：在1.5V輸入下為14.5μA
- 啟動(dòng)電壓：在(V{IN}=1.2V)、(V{OUT}=3.3V)和(I_{OUT}=1mA)（電阻性負(fù)載）時(shí)為0.65V
- 自動(dòng)PFM/PWM操作
- PWM開(kāi)關(guān)頻率 = 500kHz
- 開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)按鈕，約25秒開(kāi)啟
- LED狀態(tài)指示（輸出開(kāi)啟和低電量）
- 帶有反向電池保護(hù)的Energizer電池座
3. 開(kāi)始使用
電源輸入和輸出連接
參考設(shè)計(jì)板配備了創(chuàng)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(jìn)入待機(jī)模式。按下按鈕S1 2秒鐘可開(kāi)啟輸出，輸出將保持約25秒。在此期間按下按鈕將關(guān)閉輸出。
電路板頂部還設(shè)有額外的連接器：
- TP1和TP5用于正極（(V_{IN})）
- TP2和TP4用于負(fù)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(yīng)超過(guò)3.3V輸出電壓（(V{IN}
輸出連接器為“OUT”，參考地為GND。當(dāng)電路板由四節(jié)AAA堿性電池供電時(shí)，最大輸出電流為130mA，該電池的典型容量為600mAh。
電路板測(cè)試
測(cè)試電路板的步驟如下：
- 將四節(jié)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(yīng)亮起。
- LED將亮起約25秒，在此期間，驗(yàn)證“OUT”處是否有3.3V電壓。
- 按下并按住按鈕2秒鐘，驗(yàn)證電源是否可以開(kāi)啟和關(guān)閉。
需要注意的是，電阻R9未安裝，其焊盤可用于實(shí)驗(yàn)。接頭J3也未安裝，可用于對(duì)微控制器進(jìn)行重新編程。
4. 工作原理
電路板由四節(jié)AAA電池供電，電池典型容量為600mAh。電池插入后，應(yīng)用程序?qū)⑦M(jìn)入待機(jī)模式。在此模式下，PIC12F617微控制器大部分時(shí)間處于睡眠模式，僅從電池消耗幾微安的電流。MCP1640在關(guān)機(jī)模式下典型消耗0.75μA。當(dāng)MCP1640處于正常工作模式時(shí)，在1.5V輸入下，無(wú)負(fù)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(jìn)行脈沖控制，可將電流降低多達(dá)80%。
定期地，微控制器會(huì)短暫地從睡眠模式中喚醒，檢查其電源（VDD，來(lái)自MCP1640的VOUT引腳）是否達(dá)到2.3V閾值。這通過(guò)微控制器的內(nèi)部模擬比較器實(shí)現(xiàn)，該比較器將VOUT的一部分（來(lái)自R4）與0.6V內(nèi)部電壓參考進(jìn)行比較。為了避免在無(wú)源組件上損失功率并簡(jiǎn)化原理圖，應(yīng)用程序還使用MCP1640的反饋網(wǎng)絡(luò)（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(cè)到2.3V閾值，微控制器的GP2引腳將在短時(shí)間內(nèi)將MCP1640的EN引腳置高，以將輸出電容充電至3.3V的穩(wěn)定電壓。之后，EN引腳再次被拉低，MCP1640進(jìn)入真輸出斷開(kāi)關(guān)機(jī)選項(xiàng)。輸出電容（C2）可將VOUT維持約2秒，直到達(dá)到2.3V閾值。
通過(guò)按下按鈕S1，微控制器的GP1端口將P - MOS晶體管（Q2）導(dǎo)通，為負(fù)載供電。負(fù)載將被供電一段固定的時(shí)間（約25秒），除非再次按下按鈕。
PIC12F617在開(kāi)關(guān)負(fù)載（Q2）開(kāi)啟時(shí)測(cè)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(guò)R7 - C4濾波器和微控制器引腳3（GP4）上的A/D通道進(jìn)行測(cè)量。
5. 編程PIC12F617微控制器
為了進(jìn)行電路板評(píng)估，Microchip提供了可從其網(wǎng)站下載的固件包。電路板出廠時(shí)已編程為按下按鈕S1后輸出開(kāi)啟10秒。當(dāng)檢測(cè)到低電量條件（輸入小于0.8V）時(shí)，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(shù)可根據(jù)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(chuàng)建十六進(jìn)制文件，以便下載到參考電路板。該編譯器可從Microchip網(wǎng)站下載，但評(píng)估板套件中不包含該編譯器。接頭J3可用于系統(tǒng)內(nèi)電路編程，該接頭未安裝在電路板上，可焊接一個(gè)五針接頭連接器?？蓪ICkit? 3編程器連接到J3以對(duì)評(píng)估板進(jìn)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(jié)AAA電池升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)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(gòu)建參考設(shè)計(jì)所需的部件，具體如下： | 數(shù)量 | 參考編號(hào) | 描述 | 制造商 | 部件編號(hào) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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(guī)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(jié)AAA電池升壓轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)為電池供電的微控制器應(yīng)用提供了一個(gè)高效、實(shí)用的電源解決方案。通過(guò)合理利用其特性和功能，工程師們可以有效地優(yōu)化電池壽命，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似的電源管理問(wèn)題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。
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