技术追踪：超低工作电压充电泵Ｓ－８８２Ｚ系列

便携式产品为了减轻重量及缩小体积，在设计上尽量减少电池的数量。若便携式电路工作电压高于电池电压时，往往采用升压式充电泵或升压式DC／DC转换器。传统的充电泵的最低输入电压在0．9～1．0V之间，升压式DC／DC转换器的最低输入电压为1．0V左右(启动电压为0．6～0．7V)。所以便携式一般采用1～2节镍铬、镍氢电池或1节锂离子电池供电。

如果输入电压降到0．6V以下，则传统的充电泵或DC／DC转换器内部的电路(如振荡器、误差放大器、逻辑控制电路、电子开关等)不能正常工作，用传统的升压器件无法解决用0．6V以下的输入电压达到升压的目的。

精工电子有限公司(SⅡ)最近采用了完全耗尽型SOI技术(silicon onInsulator)，开发出与传统充电泵不同的超低工作电压的新型充电泵，能在0．3～0．35V输入电压下工作。它与升压式De／DC转换器配合，解决了0．3～0．35V输入电压的升压，给微弱电压的能源创造了一个有效利用的条件。

本文介绍给该新型超低工作电压充电泵S-882Z系列及与升压式DC／DC配合的升压应用电路。

特点与用途

S-882Z系列按放电开始电压大小有4个品种：分别为1．8V、2．0V、2．2V及2．4V，在型号后缀中用18、20、22及24来区分。例如，S-882220是放电开始电压为2．0V的充电泵。该系列主要特点：输入电压V_IN范围：在Ta=-30～+60℃时为0．3～3．0V，在Ta=-40～+85℃时为0．35～3．0V；工作时的消耗电流在V_IN＝0．3V时为0．5mA(最大值)；有关闭控制，在关闭状态或称休眠状态时耗电小于0．6μA(V_IN0．3V)；关闭控制电压为放电开始电压加0．1V(≤3．0V)；内部振荡器频率350kHz,外部仅接一个启动电容(C_CPOUT)，小尺寸SOT-23-5封装；无铅。

S-882Z系列主要应用于太阳能电池、燃料电池等低压电源的升压；RF标签内部的电压升压(如用于高速公路收费系统)；为间断工作系统提供电源。

引脚排列与功能

引脚排列如图1所示，各引脚的功能如表1所示。

内部结构及工作原理

传统的升压式充电泵电路由升压泵电路加上稳压控制电路组成，输出的电压可直接给负载供电。S-882Z升压式充电泵的内部结构与传统的充电泵不同，其内部结构如图2所示。

S-882Z的内部升压式充电泵的电路及振荡电路与传统的充电泵电路是相同的，但它的输入电压(即放电电路)与传统的充电泵电路不同。它有R1、R2组成的分压器、电压比较器COMP1、p-MOSFET(M1)及基准电压源V_REF组成。另外，它还有监测升压式DC／DC转换器输出电压来控制升压式充电泵工作的电路部分。这部分由分压器R 3、R4、电压比较器COMP2组成，它的输出去控制振荡电路的工作，即控制升压式充电泵的工作或停止工作。

S-882Z的工作原理如下：

(1)VIN端输入0．3V以上的电压时，振荡电路就可以工作，输出时钟号(CLK)，使升压式电荷电路开始工作；

(2)升压式充电泵电路将输入端的电荷经内部电子开关及泵电容的转移，由CPOUT端输出的电荷给C_CPOUT充电，使C_CPOUT上的电压渐渐升高；

(3)C_CPOUT上的电压上升到一定值时(放电开始电压)，使R1、R2组成的分压器电压大于V_REF，比较器COMP1输出低电平。此低电平使P-MOSFET-(M1)有一个合适的-VGS，使M1导通，则C_CPOUT上的电压给M1放电，由输出端OUT输出，此电压给升压式DC／DC转换器作启动电压。开始放电的电压取决于R1、R2的比值，在工厂中已设定好4种开始放电压，即1．8V、2．0V、2．2V及2．4V；

(4)当C_CPOUT放电后，其电压降低，当C_CPOUT上的电压降低到R1、R2上的分压小于V_REF时COMP1输出高电平，M1截止，C_CPOUT放电停止，C_CPOUT上又开始充电升压；

(5)OUT端输出的电压给升压式DC／DC转换器供电，升压式DC／DC转换器开始工作，输出升压后的电压，若升压式DC／DC转换器输出的电压V_OUT大于放电开始电压加0．1V时，此电压输入S-882Z的VM端，经R3、R4分压后，其分压大于COMP2的基准电压V_REF，则比较器COMP2输出高电平，此高电平可使振荡电路停止工作，与此同时升压式充电泵电路停止工作，即充电泵电路被关闭，可节省电能。S-882Z的绝对最大额定值如表2所示。

典型应用电路

S882Z的典型应用电路如图3所示。V_IN＝0．3V、V_OUT＝3．0V、I_OUT=ImA。图中，S-8353D30MC是一种输出固定3．0V的升压式DC／DC转换器，图中，SDI是肖特基二极管，增加SDI后可使用较小电容量值的启动电容器C_COPUT的输出电压就能启动升压式DC／DC转换器。图中，CVDD是升压式DC／DC转换器的电源平滑电容器。L、SD2、CL是升压式DC／DC转换器的三大外围元器件。

在图3的电路中，电感器L、肖特基二极管SD2及输出电容CL值的选取请参看SII生产的S-8353的规格书，另外要选择C_CPOUT的电容量。

C_CPOUT容量的选择也很简单，它与升压式DC／DC转换器的电源平滑电容C_VDD有关、与充电泵的输出电流即升压DC／DC转换器的消耗电流I_VDD。大小有关，与输入电压V_IN大小有关，另外还与工作温度有关。

SⅡ提出一个C_CPOUT的计算公式。公式如下：

V_CPOUT>V_DDL+0．2V

C_CPOUT>10C_VDD

V_CPOUT：S-882Z系列的放电开始

电压值(单位：V)

C_CPOUT：启动用电容器的容量值(单位：μ F)

C_CPOUT：升压DC／DC转换器用电源平滑电容器的容量值(单位：μF)

I_VDD：升压DC／DC转换器的消耗电流值(单位：mA)

V_DDL:升压DC／DC转换器的最低工作电压(单位：V)

t_s：升压DC／DC转换器的启动电压=软启动时间(单位：ms)

笔者认为，这种计算较复杂，计算精度也不高，可估算后由实验来确定C_CPOUT的值较为可靠、方便。

结束语

SII推出了用0．3～0．35V超低电压升压的方案，给微弱电压电源的应用开创了良好的条件。使用S-882Z系列可以将输入工作电压VIN的范围扩展到0．3V，并对于输入电压在0．9V或以上，但需较大输出电流情况下激活的升压式DC／DC转换器来升压，均可用S-882Z来启动升压式DC／DC转换器。所以，对于太阳能电池，燃料电池等超低电压的应用而言，其无疑是一个具有实际意义的方案。

小知识

基准电压源

基准电压源或电压参考(Voltage Reference)通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。随着集成电路规模的不断增大。尤其是系统集成技术(SOC)的发展，它也成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路模块。

在许多集成电路和电路单元中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器，都需要精密而又稳定的电压墓准。在数模转换器中，DAC根据呈现在其输入端上的数字输入信号，从DC基准电压中选择和产生模拟输出；在模数转换器中，DC电压墓准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。

与之同时，二十世纪七十年代以来，由于对MOS晶体管的基本理论和制造技术的深入研究，加上电路设计和工艺技术的进步，MOS模拟集成电路得到了迅速发展。其中CMOS电路更是凭其工艺简单、器件面积小、集成度高和功耗低等优点，成为数字集成电路产品的主流。在这一背景下，为了获得低成本、高性能的模拟集成电路产品，基于标准数字CMOS工艺的各种高精度模拟电路受到了人们的关注，并成为集成电技术中的一个重要研究领域。而各种高精度基准电压源由于其在数字模拟系统中的广泛应用，更加具有广阔的开发与应用前景。

基本原理：

理想的基准电压源应不受电源和温度的影响，在电路中能提供稳定的电压，“基准”这一术语正说明基准电压源的数值应比一般电源具有更高的精度和稳定性。

一般情况下，可用电阻分压作为基准电压，但它只能作为放大器的偏置电压或提供放大器的工作电流。这主要是由于其自身没有稳压作用，故输出电压的稳定性完全依赖于电源电压的稳定性。另外，也可用二极管的正向压降作为基准电压，它可克服上述电路的缺点，得到不依赖干电源电压的恒定基准电压，但其电压的稳定性并不高，且温度系数是负的，约为－2mV／℃。还可用硅稳压二极管(简称稳压管或齐纳管)的击穿电压作为基准电压，它可克服正向二极管作为基准电压的一些缺点，但其温度系数是正的，约为+2mV／℃。因此，以上几种均不适用于对基准电压要求高的场合。于是，在这种迫切的市场需求和设计者的不断努力下，高精度的基准电压源应运而生，并且种类繁多。

从工作原理的角度来看，主要分为三类：标准电池、温度补偿基准稳压管和集成电路固体基准电压源(简称集成基准电压源)。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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