從環境中獲取能量可以提供持續的電力來源，適用于許多應用。然而，用于提取能量的可用能量存儲裝置和換能器的輸出可能低于適合于典型部件的水平。在構建高效能量采集設計時，工程師可以利用可用于輸入電壓遠低于1 V的可用升壓轉換器器件，這些器件包括Intersil，Linear Technology，Maxim Integrated，Microchip和Texas Instruments等制造商。

環境能源遍布整個環境，但通常在微瓦級別提供涓流功率（圖1）。在典型的能量收集設計中，轉換太陽能，機械能，熱能或射頻能量所需的傳感器因此可以在一致的基礎上產生數百甚至幾十毫伏。許多DC/DC轉換器（例如那些設計用于多節電池電源的轉換器）提供高效率操作，但很容易要求輸入電壓高于典型能量收集應用中產生的電平。其他專用升壓轉換器能夠在低輸入電壓下工作 - 最大限度地提取能量并提供足夠的功率，即使是最薄弱的環境能源也能使應用電路工作。

能源特性效率Havested Power Light戶外

室內10~24％100 mW/cm2

100μW/cm2ThermalHuman

工業~0.1％

~3％60μW/cm2《 br》 ~1-10 mW/cm2振動?Hz-human

~kHz-機器25~50％~4μW/cm3

~800μW/cm3RFGSM 900 MHz

Wi-Fi?? 50％0.1μW/cm2

0.001μW/cm2

圖1：估計常見的環境能源在微瓦級產生功率。 （德州儀器公司提供。）

轉換器拓撲結構

傳統升壓轉換器利用電感器存儲和釋放能量的能力，使用開關直接進行充電和放電循環，并使用電容器來減少輸出產生的紋波。這種能量循環。在操作中，開關以通過控制開關操作的信號的脈沖寬度調制確定的速率和持續時間交替地打開和關閉。更快的開關允許使用更小的電感器，但會降低整體效率。

如圖2所示，開關B斷開，開關A在tON期間閉合，允許電流從VIN流向地，因此能量存儲在電感器L中。在tOFF期間，開關B閉合，開關A斷開，因此存儲在電感器中的能量被釋放到負載中。

圖2：傳統升壓調節器（a）和相關波形（b）的拓撲結構。 （由Analog Devices提供。）

此操作可以以連續或不連續模式進行。在連續導通模式（CCM）下，電感電流永遠不會降至零;當在非連續導通模式（DCM）下工作時，電感電流可降至零。升壓轉換器依靠電壓或電流反饋來調節輸出電壓，使用控制回路即使在負載變化時也能保持穩壓。

電感值

電感值的選擇（參見圖2a中的電感L）對于實現最佳性能至關重要。通常，較低的電感值會導致效率降低，紋波增大和噪聲增加。較高的電感值會因較小的紋波電流而導致較高的最大輸出電流，但也會在最終設計中產生更大的占位面積。

通常，制造商為轉換器提供了推薦的電感值。當電感器范圍不可用時，以下公式為適當大小的電感器提供了良好的估計：

其中：

VIN =典型輸入電壓

VOUT =所需輸出電壓

fS =轉換器的最小開關頻率

ΔIL=估計的電感紋波電流

電感紋波電流可以估算為輸出電流的20％到40％，因此下面的等式可以提供估算此參數：

其中IOUT（max）=應用所需的最大輸出電流

低壓輸入設備

設計人員可以找到各種設計用于運行的升壓轉換器電源低于1 V.Interil ISL9111的最低工作電壓為0.7 V，啟動電壓為0.8 V，而ISL9111A的最低工作電壓為0.5 V，啟動電壓為0.6 V.該器件僅需要少量額外元件（圖3a），包括4.7μH的電感，效率值范圍為60％至90％以上，具體取決于輸入電壓和輸出電流（圖3b）。

圖3：像Intersil ISL9111這樣的升壓轉換器只需要幾個元件，包括一個制造商推薦的4.7μH電感值（a）的電感器，以達到接近效率的水平即使輸入電壓低于1 V（b），也可達到90％。 （由Intersil提供。）

對于輕載，ISL9111進入跳躍模式，將功耗降至20μA靜態電流，進一步提高輕載時的效率。在正常操作中，器件依賴于控制電路，該控制電路使用從電感器電流得到的斜坡信號來為升壓轉換器開關產生PWM選通信號。在輕負載期間，當感測到電感器電流過零預定次數時，轉換器離開PWM模式并進入跳過模式。

Linear的LTC34xx和LTC35xx系列包括一系列升壓轉換器，可在高達3 MHz的開關頻率范圍內提供0.5 V輸入電壓工作。例如，線性LTC3429和LTC3429B是工作在500 kHz的同步固定頻率升壓轉換器，而LTC3528和LTC3528B工作在1 MHz的開關頻率。 Linear建議該系列器件的外部電感值為4.7μH，但需要注意的是，大約10μH的較大電感值可通過降低電感紋波電流來增加輸出電流能力（圖4）。

圖4：雖然4.7μH是LTC3429/B等器件的推薦電感值，但較高的值會增加輸出電流，但會達到收益遞減點。 （由Linear Technology提供。）

在正常模式下，LTC34xx和LTC35xx系列中的器件從VOUT而不是VIN供電。結果，能量源的電壓可以下降到低至0.5V的值而不影響電路操作。此外，這些器件具有抗振鈴電路，通過在電感器電流在非連續模式下變為零時阻尼電感來幫助降低EMI。

這些器件的工作效率很高 - LTC3429/LTC3429B為96％，LTC3528/LTC3528B為94％。在輕負載期間，這些器件能夠通過在LTC3429和LTC3528的情況下自動切換到突發模式操作來進一步節省能量，或者在LTC3429B和LTC3528B的情況下連續切換。在突發模式操作期間，僅監視輸出所需的電路保持活動，并且設備的其余部分關閉。當輸出電壓降至預設閾值時，器件喚醒并恢復正常的PWM操作。此時，如果輸出負載保持小于突發模式閾值，則輸出電容器再充電并使器件重新進入休眠狀態。

德州儀器（TI）TPS6122x升壓轉換器屬于同類設備，輸入電壓為0.7 V.該器件提供固定和可調電壓輸出版本。在固定版本中，輸出電壓由內部電阻分壓器設置，而外部電阻分壓器與可調版本一起使用。

與同類產品中的其他器件一樣，TPS6122x器件的推薦外部電感值為4.7μH，可在整個輸入和輸出電壓范圍內提供標稱性能。德州儀器（TI）指出，根據以下公式選擇其他電感值會影響開關頻率：

因此，使用高于4.7μH的電感值將通過降低開關頻率和相關開關來提高效率損失。

TPS6122x器件采用遲滯電流模式架構，提供固有穩定的解決方案，可快速響應負載變化。器件的遲滯電流模式控制器通過將電感紋波電流保持在固定的200 mA并根據輸出負載調整電感電流的偏移來調節輸出電壓（圖5）。在低負載條件下，電感電流變為不連續工作，以保持高效率。

圖5：使用遲滯電流模式架構的德州儀器TPS6122x等器件通過根據負載調整電感電流的偏移來調節電壓輸出。 （由Texas Instruments提供。）

Microchip MCP1640B/C/D IC的啟動電壓低至0.65 V，在空載運行時僅消耗19μA電流。 Microchip提供的變體部分能夠支持PWM和PFM模式的不同組合。 PWM模式可確保輸出紋波保持較低且頻率恒定，而PFM可在輕載操作期間提高效率。即使在輕載工作期間，MCP1640B/1640D器件也僅在PWM模式下工作。

MCP1640C可以在PWM和PFM模式下工作，以在所有負載下保持最佳效率（圖6）。如果輸出負載電流低于內部編程閾值，器件將切換到PFM模式。當輸出電壓降至其標稱值以下時，PFM操作會使輸出恢復穩定。如果輸出負載電流超過上限閾值，MCP1640C將返回PWM模式。

圖6：Microchip MCP1640C可以從PWM切換到PFM模式，即使在輕載時也能保持效率。 （由Microchip Technology提供。）

除了這些低于1V的器件外，制造商還將能量采集應用作為目標，其器件具有片上升壓電路，旨在以超低輸入電壓工作。采用專用升壓轉換器，凌力爾特公司的LTC3108/LTC3109，Maxim Integrated MAX17710和德州儀器bq25504等器件能夠使用數十毫伏的輸入電壓，同時為應用電路提供多個電壓輸出源。

MCU boost

對于基于MCU的設計，集成或補充升壓IC有助于實現耗材所需的工作電平。工程師可以找到專為支持制造商的MCU系列而設計的升壓轉換器IC。

例如，Microchip MCP1623/1624是一款緊湊型，高效率，固定頻率，同步升壓型DC-DC轉換器，專為Microchip PIC MCU系列的簡單電源解決方案而設計。該器件采用低壓技術，允許穩壓器從低至0.65 V的輸入電壓啟動。為實現高效率工作，該器件集成了低阻n溝道升壓開關和同步p溝道開關 - 如以及所有相關的補償和保護電路。因此，該器件需要最少的外部元件，為PIC MCU提供完整的電源。同時，在待機模式下無負載工作時，器件僅需19μA。

設計人員還可以找到帶集成升壓轉換器的MCU。例如，Silicon Labs C8051F9xx系列包括集成的升壓轉換器功能，可支持低至0.9 V的電源供電。

Atmel ATtiny43U 8位MCU具有集成升壓轉換器，僅需外部電感，二極管和旁路電容可支持低至0.7 V的工作電壓（圖7）。獨立于MCU工作時，只要VBAT上有足夠的電壓，片上轉換器就會自動啟動，盡管設計人員可以禁用此升壓功能。升壓轉換器交替地存儲和從外部電感器提取能量，該外部電感器必須落入制造商規定的電感值范圍內。使用過低的電感值會增加電感中的峰值電流并降低轉換器效率，而過高的值會使轉換器進入不穩定狀態。

圖7 ：Atmel ATtiny43U MCU具有片內升壓轉換器，僅需要通常的外部元件，包括電感器。 （由Atmel提供。）

賽普拉斯半導體提供升壓轉換器組件，允許工程師配置其PSoC升壓轉換器硬件模塊，將默認的1.8 V輸入電壓修改為低至0.5 V的值。升壓功能支持待機和有源工作模式，在工作模式下提供高達5.5 V的輸出電壓。盡管如此，由于內部泵電路中使用的內部開關的相對高的電阻，內置開關模式泵通常限于驅動50至70mA的負載電流。然而，通過使用外部開關而不是依賴內部開關，工程師可以實現更高的輸出電流水平 - 高達500 mA - 來驅動周期性峰值負載，如無線通信。

結論

能夠在輸入電壓低于1 V的情況下工作，專用升壓轉換器在能量收集設計中發揮著關鍵作用。這些器件采用開關拓撲結構和最少的外部元件，可將傳感器和儲能器件的低電壓電平提升至應用電路所需的電平。對于超低輸入電壓要求，一類特殊的能量采集IC可以在幾十毫伏的輸入電壓范圍內工作，從而最大限度地提高弱電源的能量提取。最后，專為MCU設計的升壓轉換器簡化了基于MCU的能量收集設計的合適電源的創建。通過利用可用的升壓轉換器，工程師可以設計出高效的能量收集應用，即使環境能源通常可以提供非常低的電壓，也能夠保持全面運行。