极低输入电压升压转换器支持直接甲醇燃料电池助听器

了解极低输入电压升压转换器如何使直接甲醇燃料电池 （DMFC） 动力助听器在一次快速补充后使用一整天。

介绍

当我们今天想到可穿戴技术时，首先想到的是时尚的耳塞、智能手表、智能眼镜和健身追踪器。古老的助听器终于被加入进来，也许很快就会集成到大量的可穿戴设备中。事实上，助听器似乎再次准备率先采用直接甲醇燃料电池（DMFC）新技术，为这种新的高效电源抛弃传统电池。如今，电池供电的助听器通常需要 4 到 5 小时才能充电。这是一个相当高且不方便的停机时间，除非是在就寝时间。但是，如果您的助听器需要在 30 秒内重新上线怎么办？这就是DMFC技术的承诺！告别长时间充电，欢迎更快的电量补充。

该设计解决方案回顾了使用燃料电池为助听器供电的挑战，以及一次充电需要运行一整天的能量。

400mV电池电压太低，无法为下游电子设备供电。升压稳压器可以解决这个问题，但目前没有多少稳压器可以工作在400mV电压下。在此设计解决方案中，我们提出了一种新型升压转换器，该转换器可以在非常低的输入电压下工作，具有非常高的效率和非常低的静态电流。低输入电压操作使燃料电池技术能够应用于助听器，而其低静态电流和高效率使单次加注的操作最大化。

燃料电池操作

直接甲醇燃料电池是一种以甲醇和空气为燃料的质子交换燃料电池。它们的主要优点是易于处理甲醇，甲醇是一种在所有环境条件下能量密集且稳定的液体。DMFC由中央质子导电膜或聚合物电解质膜（PEM）组成，由燃料侧的阳极和空气侧的阴极包围。甲醇燃料在阳极催化氧化，提供维持电流的电子。质子通过膜被引导到阴极，在那里它们与氧和电子结合形成汽化的水和可忽略不计的二氧化碳。

能量密度为4466Wh/l，270μl甲醇的能量含量E为：

E = 4466 x 270μ = 1.2Wh

假设燃料电池效率为10%，我们的有用能量为120mW。当电池电压为0.4V时，我们的等效存储电荷为：

助听器框图

图2显示了典型的助听器框图。甲醇燃料电池提供高达 300mAh 的电量，通过 DC-DC 升压稳压器为板载 DSP、麦克风、扬声器、ADC、DAC 和放大器供电。

图2.甲醇动力助听器框图。

在典型情况下，消耗平均电流为12mA的系统将持续一天多一点：

挑战

升压转换器的低输入电压操作对于基于 DMFC 的系统至关重要。小尺寸是助听器等小型可穿戴设备的必备条件。高效率和低静态电流对于最佳能量利用率和加注之间的最长运行时间也很重要。但这些都是相互冲突的要求。增加稳压器的工作频率将减小无源器件的尺寸，但会增加损耗，从而降低其效率。

差异化助听器产品的提供也产生了对多个定制版本的稳压器的需求，特别是在输入/输出电压和电流规格方面。因此，助听器制造商可能被迫维护大量且昂贵的不同调节器和无源器件库存，以支持它们。

最先进的解决方案

例如，MAX17220毫微功耗同步升压转换器（图3）具有极高的效率、400mV至5.5V输入范围、225mA峰值电感电流限值以及可采用单个标准1%电阻选择的输出电压。新颖的真关断™模式可产生纳安级的漏电流，使其成为真正的毫微功耗器件。

图3.升压转换器应用示意图

体积小

MAX17220、MAX17221、MAX17222、MAX17223、MAX17224、MAX17225系列升压转换器的每一个细节都经过精心挑选，以实现最低功耗和最小的解决方案尺寸。 高达2.5MHz的开关频率、微型封装选项、单输出设置电阻、300ns固定导通时间以及三个限流选项等细节使用户能够最大限度地减小总解决方案尺寸。

这些 IC 提供两种微型封装选项：2mm x 2mm 6 引脚 μDFN 和 0.88mm x 1.4mm 6 焊球 WLP（2 x 3，0.4mm 间距）。

低输入电压和超低静态电流

毫微功耗升压转换器具有超低静态电流，设计用于在低输入电压下工作，方法是从输出端吸取电流，从输出自举自身。参考图4，输入静态电流（I秦） 的 IC 为 0.5nA （启动后使能开路）和输出静态电流 （I库特） 为 300nA。

图4.具有较低关断和静态电流的升压转换器。

为了计算总输入静态电流，需要额外的输入电流来馈送输出电流（IQOUT_IN） 必须添加到 I秦.由于输出功率与输入功率的关系与效率（P外= P在x ？），因此：

我QOUT_IN= I库特x （V外/V在）/?

如果 V在= 1.4V， V外= 3.3V，效率 ？= 88% 在低电流下，我们有：

我QOUT_IN= 300nA x （3.3/1.4）/0.88 = 803.5nA

将803.5nA与0.5nA的输入电流相加，得到804nA的总输入静态电流（I清特).该静态电流比典型升压稳压器的10μA低12倍，如前例所述。

高效率

升压转换器 IC 具有低 R德森，板载动力总成 MOSFET 晶体管，即使在足够高的频率下工作，也能产生出色的效率，以保证较小的整体 PCB 尺寸（图 5）。

图5.高效升压转换器，具有低导通电阻、板载动力总成 MOSFET 晶体管。

启用瞬态保护模式

升压转换器还包括一个使能瞬态保护（ETP）模式的选项。当存在上拉电阻时，由输出电容供电的额外片内电路可确保EN在输入端发生短暂瞬态干扰时保持高电平。在这种情况下，上面计算的静态电流增加了几十纳安。

物料清单优势和智能 V外选择

MAX17224省去了用于设置输出电压值的传统电阻分压器，取而代之的是单输出选择电阻（RSEL），如图 4 所示。IC使用专有方案读取RSEL仅在启动时消耗高达 200μA 的值。单个标准 1% 电阻器设置 33 种不同输出电压之一，在 1.8V 和 5V 之间以 100mV 的增量相隔。结果是BOM略有减少（少了一个电阻），简化了库存（一个稳压器用于多种应用），并降低了静态电流。

结论

直接甲醇燃料电池技术有望解决电池供电的可穿戴设备的一大缺点，即电池充电需要很长时间。通过利用甲醇作为能源，这种类型的燃料电池消除了电池充电，有利于燃料电池罐补充，将充电时间减少到仅几秒钟的重新填充。但是燃料电池产生的低电压可能会在其广泛采用中造成问题。我们推出了一款非常低的输入电压、超低静态电流、高效率升压转换器，可以弥合DMFC的低输入电压和助听器的高压电子设备之间的差距，一次补充即可无缝运行一整天。

审核编辑：郭婷