許多安全和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)依賴于簡(jiǎn)單易用的小型半自治節(jié)點(diǎn)。這意味著使用基于電池的電源和低功率操作，以便在產(chǎn)品的使用壽命期間最小化電池更換次數(shù)。

在電池壽命期間，電池的輸出電壓下降，當(dāng)電荷接近完全耗盡時(shí)，電池的輸出電壓下降幅度最大?？梢赃m應(yīng)這種電壓變化但仍可為傳感器和RF發(fā)射器提供相對(duì)較高電壓的轉(zhuǎn)換器類型是降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器 - 它在電池剛剛運(yùn)行時(shí)操作電路的降壓部分，在電壓升高時(shí)移動(dòng)到升壓操作低于其供電的電子電路的閾值。許多供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出針對(duì)電池系統(tǒng)優(yōu)化的集成降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，本文討論了其中的一些，包括來(lái)自ams，ADI公司，凌力爾特公司，安森美半導(dǎo)體和德州儀器的器件。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)已經(jīng)成為現(xiàn)代安全系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在家庭或辦公室應(yīng)該是空的時(shí)候觀察入侵者的跡象。隨著時(shí)間的推移，我們將看到將運(yùn)動(dòng)檢測(cè)擴(kuò)展到日常生活中的新應(yīng)用，允許我們通過(guò)使用手勢(shì)來(lái)控制照明和媒體設(shè)備。在家中傳播的設(shè)備將觀察這些關(guān)鍵手勢(shì)，使用先進(jìn)的信號(hào)和圖像處理技術(shù)來(lái)區(qū)分對(duì)系統(tǒng)重要的自然動(dòng)作和手勢(shì)。

這些系統(tǒng)之間的一個(gè)重要聯(lián)系是需要分布式低能耗傳感器，這些傳感器可以從電池運(yùn)行，以避免重新連接家庭以安裝新系統(tǒng)。它們使用低功率無(wú)線電協(xié)議相互通信并與中央處理節(jié)點(diǎn)通信，并使用各種形式的傳感技術(shù)（如超聲波或低分辨率視頻）來(lái)分析人的運(yùn)動(dòng)。

某些類型的傳感器需要高電壓才能運(yùn)行，這些電壓不能從電池單元本身產(chǎn)生，或者可能需要背光LED或內(nèi)置狀態(tài)顯示器，這需要高壓電源才能運(yùn)行。升壓或升壓穩(wěn)壓器的一個(gè)選擇是安森美半導(dǎo)體NCP1403。該器件設(shè)計(jì)用于將單個(gè)鋰離子電池或兩個(gè)AA或AAA電池升壓至高達(dá)15 V的電壓。

在使用低壓傳感器的系統(tǒng)中，仍然需要具有升壓功能可用。簡(jiǎn)單的低功耗操作不足以延長(zhǎng)電池的使用壽命。典型電池的放電曲線意味著它僅在完全充電時(shí)或附近輸出其峰值電壓。當(dāng)電池放電時(shí)，其輸出電壓將下降，可能低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源電壓。通常有一個(gè)非常大的下降接近完全耗盡。然而，如果周圍的電路可以使用它，電池仍然具有它可以提供的能量。實(shí)際上，電池很少在需要更換之前清空 - 它根本無(wú)法提供可用的能量。例如，當(dāng)輸出電壓低于0.9 V時(shí)，1.5 V AA堿性電池通常被視為“空”。

圖1：典型NiMH AA電池的放電曲線。

在實(shí)踐中，電池通常組合使用以提高其電壓輸出，使得在電池的總能量的很大一部分上操作典型的微控制器和RF電路變得更容易。相反，對(duì)于完全充電的電池組，電壓通常對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)的電路來(lái)說(shuō)太高。因此，大多數(shù)設(shè)計(jì)使用某種形式的降壓穩(wěn)壓器來(lái)控制系統(tǒng)其余部分的電源電壓，并適應(yīng)電池的下降輸出。由于輸入電壓需要高于降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓，因此無(wú)法從電池組獲得足夠的電壓，即使能量可用，系統(tǒng)也會(huì)關(guān)閉。為了充分利用這種存儲(chǔ)的能量，可以切換到升壓調(diào)節(jié)器以提供必要的輸出電壓。升壓調(diào)節(jié)器的效率最有可能低于降壓調(diào)節(jié)器的效率，但它為系統(tǒng)提供了額外的壽命。此時(shí)傳感器可以向用戶報(bào)告接近更換電池的時(shí)間。

通過(guò)將降壓和升壓調(diào)節(jié)器的功能集成到一個(gè)控制單元中，供應(yīng)商滿足了對(duì)更靈活的電池供電系統(tǒng)的需求，根據(jù)電池組的狀態(tài)自動(dòng)從一種模式切換到另一種模式。在這些設(shè)計(jì)中，通常存在兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）環(huán)路。每個(gè)的占空比由單獨(dú)的斜坡信號(hào)控制。比較器用于分析誤差放大器的輸出信號(hào)，以確定何時(shí)應(yīng)該切換開關(guān)以創(chuàng)建PWM波形的下一個(gè)相位。

圖2：典型的降壓 - 升壓架構(gòu)。

ams AS1337設(shè)計(jì)采用降壓或升壓模式下的兩節(jié)AA堿性電池供電，在200 mA時(shí)提供3.3 V的恒定電壓。它是一種采用電流模式PWM控制的固定頻率設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)良好的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)。與同類產(chǎn)品中的其他組件一樣，穩(wěn)壓器還支持省電模式，其中PWM活動(dòng)暫時(shí)中止。可選電容可用于降低輸出電壓紋波。

在傳統(tǒng)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸入電壓接近接近輸出電壓的范圍時(shí)，工作模式將從降壓轉(zhuǎn)換為升壓。然而，當(dāng)模式切換時(shí)可能存在不連續(xù)性，這可能導(dǎo)致PWM信號(hào)暫停并產(chǎn)生低頻噪聲。一種解決方案是在重疊區(qū)域中以兩種模式操作轉(zhuǎn)換器。凌力爾特公司的LTC3530是一款集成降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，采用開關(guān)算法在降壓和升壓模式之間移動(dòng)，可在1.8 V至5.5 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。該設(shè)計(jì)適用于使用兩節(jié)AA電池或單節(jié)鋰離子或鋰聚合物光源的系統(tǒng)，并在輸入和輸出電壓接近的情況下使用傳統(tǒng)的降壓 - 升壓模式。在此模式下，所有四個(gè)內(nèi)部開關(guān) - 兩個(gè)來(lái)自降壓，兩個(gè)來(lái)自升壓部分 - 將運(yùn)行。

LTC3530的開關(guān)頻率可以使用外部電阻進(jìn)行編程，因此可以針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的空間和效率要求優(yōu)化轉(zhuǎn)換器。設(shè)備的省電模式以當(dāng)前級(jí)別輸入，可由用戶編程以提高輕載效率。

圖3：降壓，降壓 - 升壓和升壓模式以及它們?nèi)绾卧诘湫偷乃拈_關(guān)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的放電曲線的不同點(diǎn)切換。

ADI公司的ADP2503電壓范圍為2.3 V至5.5 V，可與單節(jié)鋰電池或多節(jié)AA或AAA電池配合使用。該設(shè)計(jì)提供組合降壓 - 升壓模式，適用于輸入和輸出電壓靠近的情況，以提供良好的調(diào)節(jié)并在輸出級(jí)保持最小的電流紋波。

通過(guò)外部同步信號(hào)，只要在2.1 MHz至2.9 MHz范圍內(nèi)切換，調(diào)節(jié)器將滑動(dòng)到所應(yīng)用的頻率。在沒有外部頻率源的情況下，器件可以進(jìn)入省電模式，暫時(shí)禁用PWM控制以避免開關(guān)損耗。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)150 mA時(shí)，器件退出省電模式并恢復(fù)正常工作。該電流水平設(shè)置在省電閾值以上，以提供滯后水平并避免兩種模式之間的振蕩。

四開關(guān)操作的一個(gè)潛在問(wèn)題是效率降低，這在電池供電系統(tǒng)中是不希望的。效率的下降是由于操作四個(gè)開關(guān) - 并且遭受其總開關(guān)損耗 - 而不是分別專用于降壓和升壓模式的兩個(gè)開關(guān)。潛在地，因?yàn)殡姵氐碾妷?放電曲線在其大部分范圍內(nèi)非常平坦，所以重疊區(qū)域可以在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用。結(jié)果是縮短了電池壽命，而不是通過(guò)對(duì)共享降壓 - 升壓模式進(jìn)行更智能控制。

試圖解決這些問(wèn)題的集成降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)例子是德州儀器公司的TPS63020。該轉(zhuǎn)換器專為采用兩節(jié)或三節(jié)堿性電池，NiCd和NiMH電池系統(tǒng)或單節(jié)鋰離子或鋰聚合物系統(tǒng)供電的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，可提供高達(dá)3 A的電流，以應(yīng)對(duì)峰值功率輸出 - 例如當(dāng)探測(cè)器正在讀取數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)時(shí) - 并且可以使用低至2.5 V及以下的輸出電壓。

TPS63020在降壓和升壓模式之間自動(dòng)切換，帶有一個(gè)有源開關(guān)和一個(gè)整流開關(guān)。一個(gè)開關(guān)永久接通，其余開關(guān)在任一模式下永久關(guān)閉，從而降低了整體開關(guān)損耗。沒有所有開關(guān)在超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)有效的狀態(tài)。在該裝置中，如果調(diào)節(jié)器確定所有開關(guān)應(yīng)在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)變?yōu)橛行?，則斜坡彼此遠(yuǎn)離。然而，如果斜坡彼此移動(dòng)得太遠(yuǎn)以至于沒有切換活動(dòng)，則它們被移動(dòng)得更靠近在一起，從而可以恢復(fù)正常的PWM操作。這種行為導(dǎo)致傳統(tǒng)共享降壓 - 升壓循環(huán)的大幅減少。

控制器電路采用平均電流模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不斷監(jiān)測(cè)輸入和輸出電壓的變化。電壓的變化被饋送到調(diào)制器以改變占空比以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)最高效率，轉(zhuǎn)換器使用固定頻率PWM控制器進(jìn)行同步整流。該器件中有四個(gè)N溝道MOSFET，可將外部元件減少到用于儲(chǔ)能和輸出平滑的電感器。

在低負(fù)載電流下，與許多其他設(shè)備一樣，轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)入省電模式，暫時(shí)禁用PWM活動(dòng)，通過(guò)開關(guān)損耗減少能量浪費(fèi)。在省電模式期間，比較器監(jiān)視輸出電壓，以便在低于安全閾值時(shí)重新開始操作。當(dāng)輸出電壓略高于標(biāo)稱值時(shí)，PWM操作停止。當(dāng)平均電感電流超過(guò)100 mA時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)退出省電模式。對(duì)于需要更嚴(yán)格的電壓容差的系統(tǒng)，可以完全禁用省電模式。

通過(guò)適應(yīng)當(dāng)今電池技術(shù)的電壓曲線，先進(jìn)的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器可以在處理新型傳感器類型方面做很多工作，并在每個(gè)電池內(nèi)汲取大部分可用的存儲(chǔ)能量。控制器設(shè)計(jì)的進(jìn)步 - 例如降低降壓 - 升壓模式損耗的技術(shù) - 進(jìn)一步提高了效率。