極低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器支持直接甲醇燃料電池助聽(tīng)器

了解極低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器如何使直接甲醇燃料電池 （DMFC） 動(dòng)力助聽(tīng)器在一次快速補(bǔ)充后使用一整天。

介紹

當(dāng)我們今天想到可穿戴技術(shù)時(shí)，首先想到的是時(shí)尚的耳塞、智能手表、智能眼鏡和健身追蹤器。古老的助聽(tīng)器終于被加入進(jìn)來(lái)，也許很快就會(huì)集成到大量的可穿戴設(shè)備中。事實(shí)上，助聽(tīng)器似乎再次準(zhǔn)備率先采用直接甲醇燃料電池（DMFC）新技術(shù)，為這種新的高效電源拋棄傳統(tǒng)電池。如今，電池供電的助聽(tīng)器通常需要 4 到 5 小時(shí)才能充電。這是一個(gè)相當(dāng)高且不方便的停機(jī)時(shí)間，除非是在就寢時(shí)間。但是，如果您的助聽(tīng)器需要在 30 秒內(nèi)重新上線怎么辦？這就是DMFC技術(shù)的承諾！告別長(zhǎng)時(shí)間充電，歡迎更快的電量補(bǔ)充。

該設(shè)計(jì)解決方案回顧了使用燃料電池為助聽(tīng)器供電的挑戰(zhàn)，以及一次充電需要運(yùn)行一整天的能量。

400mV電池電壓太低，無(wú)法為下游電子設(shè)備供電。升壓穩(wěn)壓器可以解決這個(gè)問(wèn)題，但目前沒(méi)有多少穩(wěn)壓器可以工作在400mV電壓下。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們提出了一種新型升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以在非常低的輸入電壓下工作，具有非常高的效率和非常低的靜態(tài)電流。低輸入電壓操作使燃料電池技術(shù)能夠應(yīng)用于助聽(tīng)器，而其低靜態(tài)電流和高效率使單次加注的操作最大化。

燃料電池操作

直接甲醇燃料電池是一種以甲醇和空氣為燃料的質(zhì)子交換燃料電池。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是易于處理甲醇，甲醇是一種在所有環(huán)境條件下能量密集且穩(wěn)定的液體。DMFC由中央質(zhì)子導(dǎo)電膜或聚合物電解質(zhì)膜（PEM）組成，由燃料側(cè)的陽(yáng)極和空氣側(cè)的陰極包圍。甲醇燃料在陽(yáng)極催化氧化，提供維持電流的電子。質(zhì)子通過(guò)膜被引導(dǎo)到陰極，在那里它們與氧和電子結(jié)合形成汽化的水和可忽略不計(jì)的二氧化碳。

能量密度為4466Wh/l，270μl甲醇的能量含量E為：

E = 4466 x 270μ = 1.2Wh

假設(shè)燃料電池效率為10%，我們的有用能量為120mW。當(dāng)電池電壓為0.4V時(shí)，我們的等效存儲(chǔ)電荷為：

助聽(tīng)器框圖

圖2顯示了典型的助聽(tīng)器框圖。甲醇燃料電池提供高達(dá) 300mAh 的電量，通過(guò) DC-DC 升壓穩(wěn)壓器為板載 DSP、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、ADC、DAC 和放大器供電。

圖2.甲醇動(dòng)力助聽(tīng)器框圖。

在典型情況下，消耗平均電流為12mA的系統(tǒng)將持續(xù)一天多一點(diǎn)：

挑戰(zhàn)

升壓轉(zhuǎn)換器的低輸入電壓操作對(duì)于基于 DMFC 的系統(tǒng)至關(guān)重要。小尺寸是助聽(tīng)器等小型可穿戴設(shè)備的必備條件。高效率和低靜態(tài)電流對(duì)于最佳能量利用率和加注之間的最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間也很重要。但這些都是相互沖突的要求。增加穩(wěn)壓器的工作頻率將減小無(wú)源器件的尺寸，但會(huì)增加損耗，從而降低其效率。

差異化助聽(tīng)器產(chǎn)品的提供也產(chǎn)生了對(duì)多個(gè)定制版本的穩(wěn)壓器的需求，特別是在輸入/輸出電壓和電流規(guī)格方面。因此，助聽(tīng)器制造商可能被迫維護(hù)大量且昂貴的不同調(diào)節(jié)器和無(wú)源器件庫(kù)存，以支持它們。

最先進(jìn)的解決方案

例如，MAX17220毫微功耗同步升壓轉(zhuǎn)換器（圖3）具有極高的效率、400mV至5.5V輸入范圍、225mA峰值電感電流限值以及可采用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)1%電阻選擇的輸出電壓。新穎的真關(guān)斷?模式可產(chǎn)生納安級(jí)的漏電流，使其成為真正的毫微功耗器件。

圖3.升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示意圖

體積小

MAX17220、MAX17221、MAX17222、MAX17223、MAX17224、MAX17225系列升壓轉(zhuǎn)換器的每一個(gè)細(xì)節(jié)都經(jīng)過(guò)精心挑選，以實(shí)現(xiàn)最低功耗和最小的解決方案尺寸。 高達(dá)2.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率、微型封裝選項(xiàng)、單輸出設(shè)置電阻、300ns固定導(dǎo)通時(shí)間以及三個(gè)限流選項(xiàng)等細(xì)節(jié)使用戶能夠最大限度地減小總解決方案尺寸。

這些 IC 提供兩種微型封裝選項(xiàng)：2mm x 2mm 6 引腳 μDFN 和 0.88mm x 1.4mm 6 焊球 WLP（2 x 3，0.4mm 間距）。

低輸入電壓和超低靜態(tài)電流

毫微功耗升壓轉(zhuǎn)換器具有超低靜態(tài)電流，設(shè)計(jì)用于在低輸入電壓下工作，方法是從輸出端吸取電流，從輸出自舉自身。參考圖4，輸入靜態(tài)電流（I秦） 的 IC 為 0.5nA （啟動(dòng)后使能開(kāi)路）和輸出靜態(tài)電流 （I庫(kù)特） 為 300nA。

圖4.具有較低關(guān)斷和靜態(tài)電流的升壓轉(zhuǎn)換器。

為了計(jì)算總輸入靜態(tài)電流，需要額外的輸入電流來(lái)饋送輸出電流（IQOUT_IN） 必須添加到 I秦.由于輸出功率與輸入功率的關(guān)系與效率（P外= P在x ？），因此：

我QOUT_IN= I庫(kù)特x （V外/V在）/?

如果 V在= 1.4V， V外= 3.3V，效率 ？= 88% 在低電流下，我們有：

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

將803.5nA與0.5nA的輸入電流相加，得到804nA的總輸入靜態(tài)電流（I清特).該靜態(tài)電流比典型升壓穩(wěn)壓器的10μA低12倍，如前例所述。

高效率

升壓轉(zhuǎn)換器 IC 具有低 R德森，板載動(dòng)力總成 MOSFET 晶體管，即使在足夠高的頻率下工作，也能產(chǎn)生出色的效率，以保證較小的整體 PCB 尺寸（圖 5）。

圖5.高效升壓轉(zhuǎn)換器，具有低導(dǎo)通電阻、板載動(dòng)力總成 MOSFET 晶體管。

啟用瞬態(tài)保護(hù)模式

升壓轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)使能瞬態(tài)保護(hù)（ETP）模式的選項(xiàng)。當(dāng)存在上拉電阻時(shí)，由輸出電容供電的額外片內(nèi)電路可確保EN在輸入端發(fā)生短暫瞬態(tài)干擾時(shí)保持高電平。在這種情況下，上面計(jì)算的靜態(tài)電流增加了幾十納安。

物料清單優(yōu)勢(shì)和智能 V外選擇

MAX17224省去了用于設(shè)置輸出電壓值的傳統(tǒng)電阻分壓器，取而代之的是單輸出選擇電阻（RSEL），如圖 4 所示。IC使用專有方案讀取RSEL僅在啟動(dòng)時(shí)消耗高達(dá) 200μA 的值。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器設(shè)置 33 種不同輸出電壓之一，在 1.8V 和 5V 之間以 100mV 的增量相隔。結(jié)果是BOM略有減少（少了一個(gè)電阻），簡(jiǎn)化了庫(kù)存（一個(gè)穩(wěn)壓器用于多種應(yīng)用），并降低了靜態(tài)電流。

結(jié)論

直接甲醇燃料電池技術(shù)有望解決電池供電的可穿戴設(shè)備的一大缺點(diǎn)，即電池充電需要很長(zhǎng)時(shí)間。通過(guò)利用甲醇作為能源，這種類型的燃料電池消除了電池充電，有利于燃料電池罐補(bǔ)充，將充電時(shí)間減少到僅幾秒鐘的重新填充。但是燃料電池產(chǎn)生的低電壓可能會(huì)在其廣泛采用中造成問(wèn)題。我們推出了一款非常低的輸入電壓、超低靜態(tài)電流、高效率升壓轉(zhuǎn)換器，可以彌合DMFC的低輸入電壓和助聽(tīng)器的高壓電子設(shè)備之間的差距，一次補(bǔ)充即可無(wú)縫運(yùn)行一整天。

審核編輯：郭婷