探索MCP1640单四节AAA电池升压转换器参考设计

在电子设备的设计中，电源管理是至关重要的一环。尤其是在使用电池供电的设备中，如何提高电池的使用效率、延长电池寿命，是工程师们一直关注的问题。今天，我们就来深入了解一下Microchip的MCP1640单四节AAA电池升压转换器参考设计。

文件下载：MCP1640RD-4ABC.pdf

一、MCP1640器件概述

MCP1640是一款紧凑、高效的固定频率升压DC - DC转换器。它为单节、双节或三节碱性、镍镉、镍氢电池，以及单节锂离子或锂聚合物电池供电的应用提供了简单易用的电源解决方案，只需最少数量的外部组件。

1. 工作模式与特性

MCP1640能够自动选择最佳的工作模式，以实现效率最大化，包括PWM（脉冲宽度调制）和PFM（脉冲频率调制）模式。它具有低静态电流（典型值为19µA）、宽输入电压范围（0.35至5.5V）和低启动电压（在1mA负载电流下为0.65V）。在关机模式下，其功耗小于1µA。

2. 产品变体

Microchip提供了MCP1640的四种变体，以满足不同的系统需求，具体如下：	部件编号	PWM/PFM模式	PWM模式	真输出断开关机选项	输入到输出旁路关机选项
MCP1640	X	—	X	—
MCP1640B	—	X	X	—
MCP1640C	X	—	—	X
MCP1640D	—	X	—	X

MCP1640有SOT23 - 6和8 - LD DFN（2x3 mm）封装可供选择。更多关于MCP1640器件的信息，请参考MCP1640/B/C/D数据手册。

二、参考设计概述

MCP1640单四节AAA电池升压转换器参考设计旨在展示MCP1640在微控制器应用中的特性，以优化电池寿命。该设计有助于工程师缩短产品设计周期。

1. 性能指标

在1.5V输入和3.3V输出的情况下，该电路板能够提供130mA的负载电流。通过EN信号可以启用和禁用MCP1640器件。启用时，MCP1640将调节输出电压；禁用时，对于真输出断开关机选项，MCP1640会断开输入到输出的路径，从而降低无负载待机电流。

2. 参考设计套件内容

该参考设计套件包括：

• MCP1640单四节AAA电池升压转换器参考设计板（编号102 - 00318）
• 重要信息表

三、安装与操作

1. MCP1640的特性

MCP1640能够在较宽的范围内调节输出电压（2.0V至5.5V），当由单节1.5V电池供电时，在3.3V输出下通常能够提供超过100mA的负载电流。其有助于优化电池寿命的关键特性包括：

• 高达96%的效率
• 轻载时的PFM开关模式
• 低输入启动电压，典型值为1mA负载电流下的0.65V
• 低关机电压（在轻负载条件下，输入低至0.35V仍能持续工作）
• 真输出断开关机选项，防止输入到输出的泄漏电流（在此模式下，电池消耗小于1µA）
• 典型静态电流为19µA

2. 参考设计的特性

该参考设计展示了带有真输出断开关机选项的MCP1640器件在微控制器应用中的工作情况。它通过使用MCP1640和一个低成本的8位PIC微控制器，减少了长时间处于待机模式的应用的无负载输入电流，从而优化了电池寿命。具体特性如下：

• 输入电压：单节AAA碱性电池
• 输出电压：3.3V
• 输出电流：<130mA
• 高达75%的效率
• 待机电池电流：在1.5V输入下为14.5µA
• 启动电压：在(V{IN}=1.2V)、(V{OUT}=3.3V)和(I_{OUT}=1mA)（电阻性负载）时为0.65V
• 自动PFM/PWM操作
• PWM开关频率 = 500kHz
• 开/关开关按钮，约25秒开启
• LED状态指示（输出开启和低电量）
• 带有反向电池保护的Energizer电池座

3. 开始使用

电源输入和输出连接

参考设计板配备了创新的Energizer电池座，可防止AAA碱性电池反向插入。如果电池正确插入，电路板将进入待机模式。按下按钮S1 2秒钟可开启输出，输出将保持约25秒。在此期间按下按钮将关闭输出。

电路板顶部还设有额外的连接器：

• TP1和TP5用于正极（(V_{IN})）
• TP2和TP4用于负极（GND）

这些连接器可帮助工程师使用外部电源为电路板供电，但最大输入电压不应超过3.3V输出电压（(V{IN}{OUT})）。当输入电压大于或等于输出电压时，输出电压将无法保持稳定。

输出连接器为“OUT”，参考地为GND。当电路板由四节AAA碱性电池供电时，最大输出电流为130mA，该电池的典型容量为600mAh。

电路板测试

测试电路板的步骤如下：

1. 将四节AAA电池正确插入电池座。
2. 如图2 - 2所示，在“OUT”和“–”连接器之间连接电压表和47Ω/0.5W电阻。
3. 按下并按住按钮约2秒钟，LED应亮起。
4. LED将亮起约25秒，在此期间，验证“OUT”处是否有3.3V电压。
5. 按下并按住按钮2秒钟，验证电源是否可以开启和关闭。

需要注意的是，电阻R9未安装，其焊盘可用于实验。接头J3也未安装，可用于对微控制器进行重新编程。

4. 工作原理

电路板由四节AAA电池供电，电池典型容量为600mAh。电池插入后，应用程序将进入待机模式。在此模式下，PIC12F617微控制器大部分时间处于睡眠模式，仅从电池消耗几微安的电流。MCP1640在关机模式下典型消耗0.75µA。当MCP1640处于正常工作模式时，在1.5V输入下，无负载输入电流约为70µA。为了降低电路板的平均输入电流，MCP1640的EN输入以较慢的速率进行脉冲控制，可将电流降低多达80%。

定期地，微控制器会短暂地从睡眠模式中唤醒，检查其电源（VDD，来自MCP1640的VOUT引脚）是否达到2.3V阈值。这通过微控制器的内部模拟比较器实现，该比较器将VOUT的一部分（来自R4）与0.6V内部电压参考进行比较。为了避免在无源组件上损失功率并简化原理图，应用程序还使用MCP1640的反馈网络（R2 - R3 - R4）作为PIC MCU比较器的输入。

PIC12F617微控制器可在低至2.0V的VDD下工作。如果检测到2.3V阈值，微控制器的GP2引脚将在短时间内将MCP1640的EN引脚置高，以将输出电容充电至3.3V的稳定电压。之后，EN引脚再次被拉低，MCP1640进入真输出断开关机选项。输出电容（C2）可将VOUT维持约2秒，直到达到2.3V阈值。

通过按下按钮S1，微控制器的GP1端口将P - MOS晶体管（Q2）导通，为负载供电。负载将被供电一段固定的时间（约25秒），除非再次按下按钮。

PIC12F617在开关负载（Q2）开启时测量电池电压。如果电池电压低于0.8V，LED（D1）将闪烁。电池电压通过R7 - C4滤波器和微控制器引脚3（GP4）上的A/D通道进行测量。

5. 编程PIC12F617微控制器

为了进行电路板评估，Microchip提供了可从其网站下载的固件包。电路板出厂时已编程为按下按钮S1后输出开启10秒。当检测到低电量条件（输入小于0.8V）时，电路板上的绿色LED将闪烁，但电路板仍能在尽可能低的输入电压下工作。所有参数可根据输出/输入能力在固件中更改为所需的值。

源代码注释丰富，有助于用户定义电路板。使用HI - TECH (C^{circledR})编译器编译源代码并创建十六进制文件，以便下载到参考电路板。该编译器可从Microchip网站下载，但评估板套件中不包含该编译器。接头J3可用于系统内电路编程，该接头未安装在电路板上，可焊接一个五针接头连接器。可将PICkit™ 3编程器连接到J3以对评估板进行编程。

四、附录信息

1. 原理图和布局

附录A包含了MCP1640单四节AAA电池升压转换器参考设计的以下原理图和布局：

• 电路板原理图
• 电路板顶部丝印和焊盘
• 电路板顶部走线和焊盘
• 电路板底部丝印层
• 电路板底部走线、焊盘和丝印

2. 物料清单

附录B列出了构建参考设计所需的部件，具体如下：	数量	参考编号	描述	制造商	部件编号
1	AAAA	AAAA/E96碱性电池	Energizer®	E96BP - 2
1	BATT1	AAA电池座	Energizer
2	C1, C2	陶瓷电容10µF 6.3V X7R 10% 0805	Taiyo Yuden®	JMK212B7106KG - T
2	C3, C4	陶瓷电容1.0µF 10V X7R 0805	Taiyo Yuden	LMK212B7105KG - T
1	D1	LED芯片LED 570nm绿色0603 SMD	OSRAM Opto Semi - conductors Inc	LG Q971 - KN - 1 - 0 - 20 - R18
0	J3	不安装	Molex® Electronics	22 - 03 - 2051
		5针垂直镀锡接头
1	L1	功率电感4.7µH	Coilcraft	EPL3015 - 472MLB (XFL3012 - 472ME)
1	PCB	RoHS合规裸电路板		104 - 00318
1	Q1	N沟道MOSFET 60V 280mA SOT - 23	Fairchild Semiconductor®	NDS7002A
1	Q2	P沟道MOSFET 20V 1A SSOT3	Fairchild Semiconductor	NDS332P
1	R1	电阻1MΩ 1/10W 5% 0603 SMD	Stackpole Electronics Inc	RMCF0603JT1M00
1	R2	电阻1.30MΩ 1/10W 1% 0603	Panasonic® – ECG	ERJ - 3EKF1304V
1	R3	电阻240kΩ 1/10W 0.1% 0603 SMD	Panasonic – ECG	ERA - 3AEB244V
1	R4	电阻510kΩ 1/10W 1% 0603 SMD	Yageo	RC0603FR - 07510KL
1	R5	电阻220kΩ 1/10W 5% 0603 SMD	Panasonic – ECG	ERJ - 3GEYJ224V
1	R6	电阻330Ω 1/10W 5% 0603 SMD	Stackpole Electronics, Inc.	RMCF0603JT330R
1	R7	电阻1kΩ 1/10W 5% 0603 SMD	Stackpole Electronics, Inc.	RMCF0603JT1K00
1	R8	电阻100kΩ 1/10W 5% 0603 SMD	Stackpole Electronics, Inc.	RMCF0603JT100K
0	R9	不安装	Stackpole Electronics, Inc.	RMCF0603JT1M00
		电阻1MΩ 1/10W 5% 0603 SMD

MCP1640单四节AAA电池升压转换器参考设计为电池供电的微控制器应用提供了一个高效、实用的电源解决方案。通过合理利用其特性和功能，工程师们可以有效地优化电池寿命，提高产品的性能和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似的电源管理问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。