通过更好的电源设计增强电池供电的端节点

新颖的结束节点电源设计使用切换模式转换器的方法可以使无线端点节点从CR2032锂硬币电池操作，其发射功率高达+20dBm。

此功能有利于设计电池供电的无线端部节点，用于各种内容的内容（IOT）应用，例如安全和环境传感器。除了锂硬币电池操作之外，电源拓扑允许使用其他电池化学物质来延长系统的寿命和操作条件。

CR2032币细胞

CR2032锂电池是小型，廉价的电池，通常用于嵌入式应用。然而，它们具有几个缺点，对经历高峰电流负荷的应用构成挑战（例如，无线电传输）。

• 锂硬币电池可以具有大的内部阻抗（数十欧姆）。A high peak current drawn across a large internal resistance (IR) can result in a voltage drop that is either insufficient to meet the application’s input voltage requirements, causing unacceptable noise ripple on the power supply, or, in the worst case, a brown-out and/or power-on reset. In addition, this IR drop is just power wasted, impacting efficiency.
• 锂硬币电池电压输出随温度下降。例如，一个硬币电池在1 mA负载下提供2.9 V输出在40°C可能只能提供2.6 V在0°C。
• 锂电池的容量随着峰值电流的增加而降低。

传统上，开发人员通过将非常大（通常为100μF或更高）电容器直接与电池平行地添加非常大（通常为100μF或更高）电容来管理锂硬币的缺点。该存储电容尺寸尺寸为载荷的峰值电流的大部分，从而导致锂硬币电池的峰值电流。该较低峰值电流允许硬币电池达到更大的寿命，并且还防止由于硬币细胞内部阻抗的IR滴导致跳闸欠压保护电路。

为了说明锂CR2032币电池面临的挑战，我们研究并比较了不同电源配置在高峰值电流负载下的性能，模拟了物联网网络中无线终端节点的功耗。这些系统大部分时间处于低功耗睡眠模式，定期醒来以接收和传输无线数据。在有源时，系统在处理和接收时遇到一个中等的电流，在发送时遇到一个大的电流。

虽然实验可以在一个真实的操作终端节点上进行，但我们使用模型来加快数据收集速度，并消除运行系统中由于网络时间变化造成的复杂性。

测试设置

为了提供一致的电池型号，我们使用带有固定的21-OHM系列电阻的电源串联，以使内部阻抗的锂硬币电池效仿。表示高峰电流轮廓负载（例如，RF传输），我们使用具有密切控制的控制定时的电阻负载测试夹具。

负载测试夹具由由控制信号，CTRL1和CTRL2驱动的两个电阻负载组成。Ctrl2总计为15毫秒，以模拟核心处理器唤醒。驱动CTRL2后的三个毫秒，Ctrl1被驱动3毫秒以模拟传输。图1显示了1.8 V的负载曲线。

图1。加载概况

为了展示负载，1.8V电源直接连接到负载测试夹具，如图2所示，所得到的负载电流如图3所示。

图2。负载电路

图3。结果负载电流剖面@ 1.8 V

直接电池供电配置

Let’s look at the results for the simplest direct battery configuration, consisting of a lithium coin cell and storage cap, as shown in Figure 4. The storage capacitor (330 µF) was sized to provide the minimum capacitance to ensure the battery voltage never drops below 1.8 V under load at the minimum tested power supply voltage, 2.5 V.

图4。直接电池供电配置

图5和6显示了3.0 V电池的测量结果。负载的电压可以低至2.20 V，电池的峰值电流为38.5 mA。

图5。直接电池连接捕获捕获330μF存储盖@ VPS = 3.0 V. Ibatt（黄色）

图6。直接电池连接捕获330μF存储帽@ VPS = 3.0 V.VBATT（绿色）和Ctrl2（洋红色）

图7和8显示了2.5 V电池的测量结果。

图7。直接电池连接捕获330µF存储帽@ VPS= 2.5 V。IBATT（黄色）

图8。直接电池连接捕获330µF存储帽@ VPS= 2.5 V。VBATT(绿色)和CTRL2(品红)

负载的电压可以降低至1.80 V，电池的峰值电流为32.26 mA。在两种直接电池配置测量中，负载下的电压可能具有巨大的方差 - 多达800 mV。

只需砍刀配置

检查的下一个电源配置是一种只能配置的配置。在该配置中，降压转换器将电池电压转换为调节的1.8 V供应，如图9所示。

图9。只需砍刀电路

在这种配置中，存储电容(330µF)的大小为最小电容，以确保1.8 V输出在最低测试电源电压2.5 V下保持调节。

图10和图11显示了3.0 V电池的测量结果。我们可以看到，升压变换器的输入电压可以低至2.56 V，从电池输出的峰值电流为23.2 mA。

图10。Buck Only Capture @ VPS= 3.0 V。IBATT（黄色）

图11。Buck Only Capture @ VPS= 3.0 V。VBATT(绿色)，1.8 V Regulated output(蓝色)，CTRL2(品红)

图12和13显示了2.5 V电池的测量结果。升压转换器的输入电压可低至1.88 V，电池的峰值电流为30.18 mA。

图12。只有捕获@ vps = 2.5 V. ibatt（黄色）

图13。降压仅捕获@ VPS = 2.5 V. VBATT（绿色），1.8 V调节输出（蓝色），Ctrl2（洋红色）

提升Bootstrap配置

检查的最终电源配置是升压引导配置。在这种配置中，电池电压通过电流限制的DC-DC转换器升压，以使用存储电容器产生5.2V电源。然后，此5.2 V电源按下至1.8V以为负载供电，如图14所示。注意，增压自动启动配置中所需的存储电容显着小于降压配置（47μF与330μF）。

图14。提升Bootstrap电源配置

图15和16显示了3.0V电池的测量结果。升压转换器的输入电压可以降低至2.76V，电池的峰值电流为11.86 mA。

图15。升压引导配置捕获@ vps = 3.0 V.IBATT（黄色）

图16。Boost Bootstrap配置捕获@ VPS = 3.0 V. 5.2V调节输出（黄色），VBATT（绿色），1.8 V调节输出（蓝色），CTRL2（洋红色）

图17和18显示了2.5 V电池的测量结果。升压转换器的输入电压可以降低至2.28V，电池的峰值电流为9.21 mA。

图17。提升引导配置捕获@ VPS = 2.5V。IBATT（黄色）

图18。升压举自动启动配置捕获@ VPS = 2.5 V. 5.2 V调节输出（黄色），VBATT（绿色），1.8 V调节输出（蓝色），Ctrl2（洋红色）

配置比较

表1和表2总结了三种配置在3 V和2.5 V下的性能。

提升引导的要求

boost引导配置通常需要DC-DC转换器有效地工作，提供以下关键参数:

• 高升压和降压模式效率
• 可配置升压模式输入电流限制
• 宽输入电源电压
• 低静态电流

虽然睡眠模式的性能并不是以前测量的重点，但在许多应用中，睡眠模式的功耗对电池寿命的影响比有源模式的功耗更大。在这种情况下，低静态电流的直流-直流变换器是必不可少的。

升压引导配置的优点

总之，升压引导配置比直接电池和降压转换器配置有几个优点。

首先，提升引导配置需要大幅较小的存储电容器（在上面的示例中，在47μF与330μF中）。这种较小的电容器要求允许成本成本和PCB空间显着降低。另外，更小的电容值更容易地支持在电解电容器上使用较低的泄漏陶瓷。电解质可以具有高泄漏电流，直接影响睡眠模式功耗。

其次，与直接电池配置不同，升压自举配置在任何时候都提供一个稳压的1.8 V输出(假设5.2 V电源有足够的净空来维持降压转换器的输入)。

第三，升压引导配置可以在更广泛的电池电压范围内运行。

最后，升压引导配置可以容忍更广泛的电池内部阻抗。

除了这些优点之外，实现boost引导配置还涉及一些独特的复杂性。为了优化给定负载配置文件的boost引导配置，可能需要进行一些调优。例如，存储电容和升压变换器输入电流限制的大小可能会根据预期的最坏情况峰值电流负载进行调整。同样，系统需要考虑负载的周期性。理想情况下，升压5.2 V电源应该被允许在施加下一个峰值电流负载之前完全恢复。实际上，这可能需要软件在传输之间人为地插入一个延迟。

本文是合作的马特·威廉姆森系统工程师，物联网产品线。

行业文章是一种内容形式，允许行业合作伙伴以编辑内容不太适合的方式与All About Circuits的读者分享有用的新闻、消息和技术。雷竞技注册所有行业文章都遵循严格的编辑指导方针，目的是为读者提供有用的新闻、技术专长或故事。工业文章中表达的观点和意见是合作伙伴的观点和意见，不一定是All About Circuits或其作者的观点和意见。雷竞技注册