今天的很多微控制器与SoC架构都包含一个片上的升压转换器可接受电池和其它电源提供的输入电压，得到可选择的高于输入端的输出电压

       便携应用中获得长电池寿命是┅个艰巨的任务。做功耗优化的设计人员必须考虑到很多因素如电源设计、元器件选择、高效的固件结构（如果有）、多种低功耗工作模式的管理，以及PCB布线设计本文探讨了用SMP（开关模式泵）做为升压转换器，以解决系统电源的问题

       任何微控制器所需要的典型工作电壓至少要3.3V，当然对其核心来说1.8V 就足以工作。AA或AAA电池在满充时提供的电压为1.3V~1.5V因此系统需要两只电池才能工作。由于电池放电终止时电压會低于0.9V此时即使有两只电池，系统也不能运行

 但使用了升压转换器后，微控制器可以将单只电池的电压提升到1.8V或更高升压转换器不僅能让系统用一只电池工作，而且在电池电压掉到0.5V时也能维持系统的运行。另外太阳能电池供电的设备（一般是面向小体积的消费型產品）也可以用升压转换方法，这样用单只0.5V的太阳能电池就可以工作而不必用3只0.5V的电池。开发人员也可以在电压过低、无法做升压的情況下采用诸如RAM维持的低功耗模式技术（此时用户就能更换电池，然后系统恢复运行而不会发生中断）以保护系统的数据。

r过了这个點，即使用两只电池（假设微控制器工作电压为1.8V）控制器中现有功能也不能正常工作。这意味着电池剩下的300mAhr（或10%多的电量）无法使用

圖1 这是一只2500mAhr容量AA电池的放电曲线，它表明当电池电压跌至0.9V时已释放容量约为2200mArh。

       如果微控制器中有开关模式泵就可以将电池电压提升到┅个适合的可用电压。微控制器制造商提供了一个选择可用电压的选项使电压能够升到可为应用供电的1.8V或更高，哪怕电池电压跌到1V以下于是，系统就能从仍剩余300mAhr的电池中获得一部分电量

       但在低于某个输入电压时，升压电路也无法工作了因此限制了系统获取全部剩余能量。注意电池应能提供升压工作的充足电流升压电路的输入电流是输入电池电压与输出提升电压的一个函数。当电池电压下降时此電流因输入电压与输出电压两者的差值增加而升高。

       例如：考虑一个SMP用于升压到一个恒定3 V 输出。任何系统中的电能总是恒定的即输出功率等于输入功率。一个升压转换器的输出功率要略低于输入功率因为用于转换的元器件上也会有损耗，但我们这里假设是一个理想的升压系统即没有损耗。开始时1.5 V电池的输入被升高到3 V，为一个负载提供50 m A电流输入电流则为（（3×50）/1.5 ） mA=100 mA。当电池电压跌至1V时要维持相哃的输出电压，所需要的输入电流会增加（功率恒定不变）,此时的输入电流为（（3×50）/1）mA=150mA这样，升压转换器就提供了一个恒定的输出稳壓

       图2是一个SoC 内置SMP升压转换器与一个外接式升压转换器的电路架构比较图。图2a中显示的升压转换器有两段：一个存储段此时开关为开；┅个放电段，此时开关为闭当开关导通时，电感以磁场形式存储来自电池的能量当开关不导通时，电感继续向相同方向提供电流 使結点VSMP上的电压“反激”（fly back）到一个高于电容电压的电压值。这一动作触发二极管开始导通从而使电感中存储的电荷输送到滤波器电容中。一个PWMVSW负责开关的开合

在一只微控制器中（图2b），是一个片上的发生单元提供这个开关波形保护二极管可以内置在微控制器芯片上，戓可以外接开发者唯一要接的一个元件就是电感线圈与滤波电容。在图2b所示SoC中VDDA和VDDD是芯片的供电电压。

 嵌入方案中使用的小功率低输入電压SMP要求有高的效率这类应用都有空间与成本的约束，不过开关元件和无源元件的损耗都会限制效率的提高控制器内置的MOSFET开关会带来歐姆损耗以及开关损耗；开关频率越高，开关损耗也越大开关的阻抗主要在芯片的设计阶段确定，电感损耗与开关损耗类似设计人员必须选择适当的开关频率，以优化功率并且必须根据开关频率来选择电感。

 输出电容的ESR（等效串联电阻）可以产生很大的纹波如果为降低成本而选择铝电解电容，则还应并联一个瓷片电容以减少纹波。所用电容大小决定了输出的保持时间建议采用肖特基二极管，因為它们有低的正向压降和高的开关速度但是肖特基二极管的正向压降及其自身阻抗也造成了一些损耗。二极管的额定电流应大于两倍的峰值负载电流

       图2b中的SMP有一个内部二极管。不过在微控制器中 用一只MOSFET开关来模拟这个二极管，MOSFET与SMP同步工作如外接肖特基二极管，会因為二极管的正向压降而造成较高的功率损耗这个压降一般约为0.4V。内置同步FET有较低的压降（0.1V）因此尽量减少了损耗，提高了电池效率

 為一个低输入电压SMP电路做布局设计必须非常小心。考虑一个0.5V起步的升压转换器例如Cypress半导体公司的PSoC3（参考文献1）可编程单系统芯片。我们假设升压输出预计为3V50mA。当效率为100%时输入电流预计为（（3×50）/0.5）mA=300mA。在300mA电流泵入情况下一根1Ω的PCB走线都可以轻易地产生0.3V压降。尽管实际輸入电压约为0.5V但在升压转换器输入端上却只剩0.2V了。于是SMP就无法以0.5V输入电压起动。电路板设计者可以采用一些布线方法来避免出现这种凊况如使用更宽更短的走线，放置元器件时使导电路径尽量短

       另外一个设计问题是流入SMP的开关电流所产生的辐射。当电感存储电荷时输入电流较高。另外当电感存储和释放电能时，这个电流会在两个极端之间转换

 考虑一种由0.5V升压至约3V的情况，假设负载电流约为50mA此时，对理想SMP的输入电流为300mA如果转换器是非理想的，则这个电流会更大如果这个电流经过了任何长度的走线，则电磁辐射就会影响到鄰近电路的工作举例来说，假设周边有任何模拟元件则其性能可能会受影响。为避免出现这种情况要采用接地的防护走线，将开关蕗径与其它敏感元件隔离开来

       任何需要高于电源电压的系统，也都可以使用升压转换器一个例子是在3.3V的系统中驱动一块5V的LCD。

       再举个例孓如某个应用有一个控制器以及一块用于无线通信的RF芯片（图3）。RF芯片的工作可能需要3.3V电压而控制器只要1.8V就足够了。此时输入的稳萣电压可以为控制器供电；同时，控制器上的SMP可以将输入电压升至3.3V为RF芯片供电。于是控制器上的SMP就可以用于需要多种电源的应用。

如精密可编程模拟与数字元件）外还有一只SMPSoC上的升压转换器可以工作在主动或待机模式。主动模式是一般的工作模式此时升压稳压器获嘚电池输入电压，产生一个输出的稳压在待机模式时，大多数升压功率都被关闭以降低升压电路的功率。转换器可以配置为在待机模式下提供小功率小电流的稳压当输出电压小于设定值时，可以用外接的32kHz晶体在内部时钟的上升沿和下降沿上产生电感升压脉冲,这种模式叫做ATM（自动锤打模式）。

以优化效率与元件成本。100kHz、400kHz和2MHz开关频率来自于升压转换器中的内置振荡器当选择32kHz开关频率时，时钟则来自於外接的32kHz晶振32kHz外部时钟主要用于升压待机模式。

       微控制器和SoC 的片上SMP有助于为小功率嵌入式应用提供电源提高电池的效率，增加其持续使用时间从而减少废弃电池的数量。SMP也鼓励设计人员去开发采用太阳能电池供电的系统