AN1337 - Microchip Technologyww1.microchip.com/downloads/cn/AppNotes/01337A_CN.pdf · 3.3V、输出为5.0V 时，它可提供高于300 mA的负载电流。详细信息将在后续章节中介绍。

AN1337使用MCP1640优化直流升压转换器中的电池寿命

简介

Microchip Technology Inc. 针对电池供电应用开发了MCP1640/B/C/D 器件。这些器件具有所有的现代设计特性，例如高效率、低静态电流、尺寸紧凑，以及外部所需元件数量少。

MCP1640是一种同步升压直流 /直流转换器，效率高可达 96%，并以 500 kHz 的频率运行。该器件为通过一节、两节或三节碱性电池、镍镉电池、镍氢电池或单节锂离子 / 锂聚合物电池供电的应用提供了一种易用的电源解决方案。

本应用笔记将详细介绍关于在应用中更高效地使用MCP1640 器件的实际注意事项。此外，本文也会介绍一些关于如何提高电池寿命的方法。

MCP1640/B/C/D 特性和选项

MCP1640/B/C/D 特性包括：

• 低启动电压（在负载为 1 mA 和输出为 3.3V 时，典型值为0.65V），并且在启动之后可以连续工作，直到输入电压降至 0.35V 为止

• 输出电压范围为 2V 至 5.5V• 自动选择 PWM/PFM 工作模式（MCP1640/C）

• 低静态电流（PFM 模式下的典型值为 19 µA）• 关断电流小于 1 µA• 集成同步开关

• 内部补偿

• 低噪声、抗振铃控制

• 浪涌电流和软启动

典型峰值电流限制为 800 mA。在输入为 1.2V、输出为3.3V 时，它可提供高于 100 mA 的负载电流；在输入为3.3V、输出为 5.0V 时，它可提供高于 300 mA 的负载电流。详细信息将在后续章节中介绍。

Microchip 提供了 4 种型号的 MCP1640 器件，用以帮助用户满足不同的系统需求。表 1 列出了器件及其可用选项。

表 1：部件编号选择

作者： Valentin C. Constantin，Microchip Technology Inc.

部件编号PWM/PFM PWM 真正

输出断路旁路

MCP1640 X — X —MCP1640B — X X —MCP1640C X — XMCP1640D — X — X

© 2011 Microchip Technology Inc. DS01337A_CN 第 1 页

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在 PWM/PFM 和仅 PWM 模式之间选择

MCP1640/B/C/D 系列可工作于两种模式：

• 脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）（连续或断续模式）或脉冲频率调制（PulseFrequency Modulation，PFM）——对于MCP1640和 MCP1640C

• 仅 PWM——对于 MCP1640B 和 MCP1640D

当输出电流降至低于预先确定的阈值时，PFM模式将会启动。在 PFM 模式期间，器件使用高峰值电流将输出推升到阈值限制点。输出电压达到大限制点时，开关脉冲将会停止，器件会进入低静态电流状态，以大程度降低从电源（电池）汲取的电流。对于轻载条件，器件可以自动从 PWM 切换为 PFM 模式，在宽输出电流范围内大程度地提高效率。PFM 模式存在一个缺点：输出纹波电压较高。工作于 PFM/PWM 模式时，输出电压会升高大约 50 mV。PFM 切换至 PWM 的电流阈值取决于输入电压（见图 1）。

图 1： PFM 切换至 PWM 的输出阈值—输入电压曲线

图 2显示了PFM模式下输出电压和PWM模式下输出电压之间的差，在输入为 1.2V、输出为 3.3V 时，它约为50 mV。负载阶跃为从 25 mA 至 1 mA。如图 1 所示，两种模式之间（从 PWM 切换至 PFM）的阈值约为 6 mA。

MCP1640B/D器件以 500 kHz的恒定开关频率工作，与MCP1640/C 器件（具有 PWM/PFM 模式选项）相比可以降低输出纹波电压。在轻载条件下，典型小占空比为 100 ns 时，MCP1640B/D 器件会继续以恒定频率进行开关。在负载更轻（小于数 mA）时，MCP1640B/D器件会开始跳过一些脉冲。

图 2： PWM 和 PFM 模式评估——负载阶跃为从 25 mA 至 1 mA图3显示了两种模式的效率：PFM/PWM模式和仅PWM模式。它说明了不进入 PFM 模式的主要缺点——轻载时的效率较低。

图 3：效率—负载电流曲线（VOUT = 3.3V）综上所述，在输出纹波不属于主要设计目标，但效率是项目关键特性（特别是对于轻载）时，强烈建议使用MCP1640/C 器件，特别是在电池供电系统中。这可以帮助提高便携式应用中的电池寿命。

02468

10121416

0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6VIN (V)

PFM

/PW

M I O

UT

Thre

shol

d (m

A)

VOUT = 2.0VVOUT = 3.3V

VOUT = 5.0V

0102030405060708090

100

0.01 0.1 1 10 100 1000IOUT (mA)

Effic

ienc

y @

VO

UT =

3.3

V (%

)

VIN = 0.8VVIN = 1.2V

VIN = 2.5V

PWM / PFMPWM ONLY

DS01337A_CN 第 2 页 © 2011 Microchip Technology Inc.

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在真正输出断路和输入旁路之间选择

在开始使用 MCP1640 器件进行设计时，工程师需要选择关断状态。根据所选择的关断选项，输出将与输入完全隔离，或者输入将通过旁路方式与输出连接。如果EN引脚为低电平，器件将处于关断模式。

MCP1640 和 MCP1640B 器件具有真正输出断路特性。输出将通过以下方式与输入断开：关断集成的 P 沟道开关（图 4），并断开开关体二极管连接（关断附加的 P沟道晶体管）。在该模式下，从输入（电池）消耗的电流小于 1 µA。

图 4： MCP1640升压转换器的简化电流原理图

输出电压由外部 COUT 电容保持，因为真正输出断路特性不会对它放电。

MCP1640C 和 MCP1640D 器件具有输入旁路关断选项。如果器件被关断，则输出将通过内部 P 沟道MOSFET 与输入连接。在该模式下，从输入汲取的电流也小于 1 µA。在关断期间，外部电阻分压器会消耗额外的电流。在关断期间，将会通过断开反馈电阻来避免损失反馈（FB）电流。在关断模式期间，将不会使用稳压反馈环路。建议在反馈电压检测网络中使用高阻值电阻（大约 100 kΩ），以保持低偏置电流（这不会影响频率响应）。

输入旁路模式在以下情况下使用：输入电压几乎等于所需输出电压时，或者对于负载工作于休眠或低静态电流模式来说足够高时。当需要稳压输出电压时，关断控制会使能升压转换器。

L

CIN

VOUT

ROUT COUT NSW

PSWVIN 整流器控制

开关控制

SW

D

关断控制


AN1337

MCP1640 应用

本节介绍使用 MCP1640 时的实际问题和注意事项。图 5 给出了一个输出为 3.3V、负载为 100 mA 的应用原理图示例。

图 5：输出为 3.3V、负载为 100 mA的应用原理图

大输出电流和电压范围

MCP1640 转换器可以使用 0.65V 的输入电压启动，并可在电压降至 0.35V 之前连续工作。大输出电压为5.5V，小为 2.0V（VIN < VOUT）。对于使用碱性电池供电的应用，建议在电压降至0.6V至0.7V时终止放电，以防止电池破裂。对于可充电化学电池，请遵从制造商建议的截止电压。

MCP1640 还可以在低于 2.0V 的输出电压下工作，但存在一些限制。AN1311 [2] 中提供了关于 VOUT = 1.8V 的应用的详细信息。

大器件输出电流取决于输入和输出电压。例如，要确保在 VOUT = 3.3V 时产生 100 mA 的负载电流，则要求提供低为 0.9V 的输入电压（VIN）。如果应用通过一节锂离子电池（VIN为3.0V至4.2V）供电，则MCP1640可提供的大负载电流为 300 mA。

图 6：大输出电流—输入电压曲线

图 7 显示了对应于两种调制选项的无负载输入电流：MCP1640/C （PWM/PFM）和 MCP1640B/D （仅PWM）。该参数取决于输入电压，并且在 PWM/PFM 模式下会低得多。通过将 EN 引脚拉低，从输入源汲取的电流将小于 1 µA（在关断模式下）。这有助于延长电池寿命。

图7：无负载输入电流—输入电压曲线

VIN

GND

VFB

SWVIN

0.9V 至 1.7V

VOUT3.3V @ 100 mA

COUT10 µF

CIN4.7 至 10 µF

L14.7 µH

VOUT

+

-309k

碱性

电池 EN

RT

RB

536k

0

100

200

300

400

500

600

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5VIN (V)

I OU

T (m

A)

VOUT = 3.3V

VOUT = 2.0V

VOUT = 5.0V

10

100

1000

10000

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6VIN (V)

I IN (礎

)

PWM / PFM

PWM ONLY

VOUT=3.3V (µ

A)


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元件——输入和输出电容、升压电感以及反馈电阻

本节介绍推荐与 MCP1640 器件配合使用的元件。

典型输入电容为 4.7 µF。如果器件离输入源（电池）较远，则可以增大容值。对于输出电流较高的电池供电应用，建议使用 10 µF 的输入电容。对于仅工作于 PWM模式（MCP1640B/D）的低输出电流应用，可以使用较低的输入电容。图 8、图 9 和图 10 演示了对于不同负载电流（无负载、5 mA 和 15 mA），MCP1640B 器件使用 0.1 µF 输入电容工作的情况。输入纹波较大，但系统很稳定。这种低成本解决方案可以用于低占空比（开启时间短）的应用。

图 8： MCP1640B 使用 0.1 µF 输入电容工作，无负载， VIN = 1.2V

图 9： MCP1640B 使用 0.1 µF 输入电容工作， IOUT = 5 mA

图 10： MCP1640B 使用 0.1 µF 输入电容工作， IOUT = 15 mA对于大多数应用，建议使用 10 µF 的输出电容。为了避免不稳定，可以使用 4.7 µF 的陶瓷输出电容，但存在一些限制。输出电容降低也会影响输出电压纹波。AN1311 [2] 介绍了使用 4.7 µF 输出电容的系统的稳定性，并提供了关于用于 MCP1640 的升压电感和输出电容限制的附加信息。

升压转换器的效率取决于输入 /输出电压和负载电流。损耗主要来源于内部开关电阻。对于低输入 / 输出电压应用，其效率会低于高输入 / 输出电压应用。升压电感的电阻也会影响效率。电感的尺寸越大，电阻就越低，从而效率就越高。这意味着需要在尺寸、成本和性能之间进行折衷。电感代表着应用设计中一项决定性的因素。


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图 11 说明了设计中的尺寸和 RDC（电感的直流串联电阻）的影响，对于两种电感：
• 4.7 µH，RDC = 0.04Ω， ISAT = 1.8A， 6x6x3 mm • 4.7 µH，RDC = 0.256Ω， ISAT = 0.7A，3x3x1 mm

电感 RDC 越小，效率就越高。

图 11： VOUT = 3.3V时的效率—两种电感（具有不同的 RDC 和 ISAT）的输出电流曲线

升压电感的电感值范围为 2.2 µH 至 10 µH。为了在电感尺寸、转换器负载瞬态响应和噪声之间实现良好平衡，建议选择 4.7 µH 的电感值。MCP1640 数据手册[1] 介绍了几种可以使用的电感（请参见数据手册中的第 5 章）。应用笔记 AN1311 [2] 也介绍了几种所用电感值小于或大于 4.7 µH 的情况。请注意，对于升压转换器，电感的电流会远高于输出电流。在选择电感电流时，需要挑选饱和电流参数高于峰值输入电流的电感。饱和电流通常规定这样一个电流点：电感在此处相对于额定值降低一定百分比。该百分比介于 10% 和 40% 之间。当电感降低时，电感纹波电流会上升。应当避免达到电流峰值限制。

输出电容不仅仅会影响输出电压纹波。电容的等效串联电阻也会影响效率。电阻损耗取决于所选择的电容类型（陶瓷电容、铝电容或钽电容）。佳选择是陶瓷电容，这种电容的直流等效电阻 ESR 较小（小于10 mΩ）。铝电容的电阻可达到数欧姆。图 12 说明了在 VOUT = 3.3V 且 VIN = 1.2V 时，不同类型的输出电容如何影响效率和大输出电流。

使用高 ESR 电容会导致效率低下。使用 10 µF 陶瓷输出电容运行时，在输出为 3.3V、输入为 1.2V 的情况下，MCP1640 会产生高 150 mA 的电流。如果将陶瓷电容更换为 10 µF 铝电容，则 MCP1640 可达到的大输出电流约为 65 mA。图 12 还说明了 15 µF 低 ESR 钽电容的效率与 10 µF 陶瓷电容相近。

图 12： VOUT = 3.3V时的效率—不同类型电容输出电流曲线

VIN=1.2V

20

30

40

50

60

70

80

90

0.01 0.1 1 10 100 1000IOUT (mA)

Effic

ienc

y (%

)

VIN=0.8V

VOUT=3.3V

_____ 4.7uH, RDC=0.04ξ , ISAT=1.8A, 6x6x3mm Inductor - - - - 4.7uH, RDC=0.265ξ , ISAT=0.7A, 3x3x1mm VIN=1.2V

VOUT=3.3V

30

40

50

60

70

80

90

0.1 1 10 100 1000IOUT (mA)

Effic

ienc

y (%

)

____ 10 µF, 35V, SMD, Aluminium Electrolytic Capacitor, low ESR____ 10 µF, 16V, THT, Tantalum Capacitor____ 10 µF, 10V, Ceramic Capacitor, X7R, 0805____ 15 µF, 10V, SMD, Tantalum Capacitor, A type

____ 10 µF, 35V, SMD, Aluminium Electrolytic Capacitor, low ESR____ 10 µF, 16V, THT, Tantalum Capacitor____ 10 µF, 10V, Ceramic Capacitor, X7R, 0805____ 15 µF, 10V, SMD, Tantalum Capacitor, A type


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前面提到，MCP1640 的输出电压范围为 2.0V 至 5.5V。输出电压是反馈电压（通过 RTOP 和 RBOT 电阻产生）的函数，如图 13 所示。电阻的阻值可以高于图 13 中显示的阻值。使用较高阻值电阻的潜在问题是环境干扰，它会在 PCB 上产生一条泄漏电流路径。这会影响反馈电压和输出电压稳压。设计人员应谨慎使用大于 1 MΩ的电阻。在正常湿度条件下，FB 输入泄漏电流极低，电阻的阻值不会影响系统的稳定性。内部误差放大器是跨导放大器；增益与电阻的阻值无关。要计算电阻阻值，可以使用以下公式：
公式 1：

图 13：对应于 5.0V 输出电压的反馈电阻分压器阻值

图 14： MCP1640/B/C/D - SOT23，两种输出电压选项（2.0V 和 3.3V），使用一个开关来并联连接 RTOP 电阻

RTOP RBOTVOUTVFB

------------- 1–⎝ ⎠⎛ ⎞×=

其中， MCP1640 的 VFB 电压为 1.21V。

5.0V

RTOP976k

RBOT309k

1.21V

VOUT

VFB

EN 开关

VIN

GND

P1

C110 µF

P1 S1 P1

L1 4u7

123

654

SWGNDEN

VINVOUT

FB

U1MCP1640/B/C/D

P1

VOUT

GND

RTO

P1

536k

RTO

P2

324k

VOUT SEL

S1 P1

RBOT309k

C210 µF

2.0V

3.3V


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举例来说， VOUT = 3.3V 时，升压应用电阻值为：
RTOP = 536 kΩ， RBOT = 309 kΩ，

或者

RTOP = 6.8 MΩ， RBOT = 3.9 MΩ。

通过使用跳线或微型开关，可以设计为手动选择多种输出电压。对于升压转换器，必须避免在使用跳线时断开反馈电阻。如果反馈环路开路，输出电压会升到高于MCP1640 的绝对大输出限制，并损坏器件。要解决该问题，请将电阻与开关并联，如图 14 所示（2.0V 和3.3V 输出应用）。当开关 VOUT SEL 开路时，输出为3.3V，因为此时仅连接 RTOP1。如果开关闭合，则输出为 2.0V，而 RTOP1 和 RTOP2 则并联（等效电阻约为202 kΩ）。

RTOP2 通过使用对应于 VOUT1 = 3.3V 的电阻值和对应于 VOUT2 = 2.0V 的等效电阻（REQ）计算。

公式 2：

公式 3：

选择 RBOT 和 REQ 之后，可以计算 RTOP2：

公式 4：

关于如何提高电池寿命的技巧

MCP1640 设计用于提高电池寿命。低输入电压工作、PFM/PWM 模式、效率高可达 96%、低静态电流、真正输出断路和输入 / 输出旁路关断选项只是众多用于帮助延长电池寿命的特性中的几种。

如何估算电池使用时间

原电池容量（以 mAh 为单位表示）可以指示在特定放电速率、特定截止电压下的电池寿命。对于碱性电池，给出了对应于恒定放电电流和规定截止电压的放电曲线（电池电压—使用时间曲线）。根据该曲线，可以通过将所需截止电压下的放电电流（mA）乘以时间（小时）得到可用容量。图 15 给出了 AA/LR6 碱性电池在室温下的典型 100 mA 恒流放电曲线，在制造商的电池数据手册中可以找到该曲线图。例如，在截止电压为 0.8V、放电电流为 100 mA 时，该电池的容量将为 100 mA x 25h = 2500 mAh。同一电池，在截止电压为 1.2V、放电电流同为 100 mA 时，容量为100 mA x 15h = 1500 mAh。

图 15：放电电流为 100 mA、截止电压为 0.8V 时的典型 AA/LR6 碱性电池放电曲线

RTOP1 RBOTVOUT1

VFB--------------- 1–⎝ ⎠⎛ ⎞×=

其中：RBOT 由用户选择。

REQ RBOTVOUT2

VFB--------------- 1–⎝ ⎠⎛ ⎞×=

其中：REQ = RTOP1 II RTOP2

RTOP2RTOP1 REQ×( )RTOP1 REQ–( )

------------------------------------=

100 mA Constant Current Discharge @ 21°C

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 5 10 15 20 25

Discharge Time (h)

Batt

ery

Vo

ltag

e (

V)


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综上所述，碱性电池的使用时间取决于放电电流和截止电压。放电电流越低，原电池效率就越高，如图 17 所示。截止电压会影响电池使用时间。通常来说，如果电池放电截止电压为 0.8V，则将会使用大约 95% 的电池容量。
图 16： AA/LR6碱性电池在21°C下，对应于不同截止电压的典型恒流放电特性

图 17： 21°C 下、放电截止电压为0.8V 时的电池容量—放电电流图

如果负载并不要求永久性的恒流，并且应用会不断开启和关闭，开启工作时间会影响电池使用时间。多出来的使用时间取决于负载电流和负载的开启 / 关闭时间。这种情况下，无法通过简单公式来计算电池寿命。

对于以恒定输出电流工作的升压转换器，输出功率也是恒定的，因此计算输入电流时必须考虑系统的效率（对于 MCP1640 来说很高）。由于电流消耗会随电池电压下降而升高，在低功耗应用中，如果效率很高，则可以将输入功率视为准恒定的。对于此类应用，可以根据图 16 给出的曲线，在考虑平均功耗的情况下在合理的容差范围内估算寿命。

对于可充电电池，近似估算使用时间的良好起点是Peukert 定律（由德国科学家 W. Peukert 在 1897 年详细阐述），该定律给出铅酸电池容量与放电速率的关系。

公式 5：

对于铅酸电池， k 的值通常介于 1.1 和 1.3 之间。但对于理想电池，常量 k 等于 1。这种情况下，实际容量与放电电流无关。

图 18： 1800 mAh 镍氢电池在不同放电速率下的典型放电时间—电池电压图

1

10

100

1000

1 10 100 1000Discharge Current (mA)

Serv

ice

Tim

e (h

)

cutoff 0.8V

cutoff 1.0Vcutoff 1.1V

AA/LR6 Alkaline Batteryat 21oC and 0.8V cutoff

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

25 100 250 500Discharge Rate (mA)

Bat

tery

Cap

acity

(mA

h)

t C

Ik----=

其中：

t = 放电时间（h）C = 电池容量（Ah）I = 放电电流（A）k = Peukert 常量

Charge to 180mA x 16h @ 21oC; Discharge with:900 mA (0.5C), 360 mA (0.2C) and 180 mA (0.1C)

0.80.9

11.11.21.31.41.51.6

0 2 4 6 8 10 12Discharge Time (h)

Bat

tery

Vol

tage

(V)

0.5C 0.2C 0.1C


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这是估算可充电电池寿命的简单方式。图 18 给出了1800 mAh 镍氢电池的典型放电曲线。电池寿命取决于充电电流、放电电流和截止电压。如果使用的截止电压为 0.9V，估算的使用时间将约为：
公式 6：

公式 7：

根据电池状态（充电 / 放电周期数或充电算法以及环境温度），与计算值相比，使用寿命会下降。

无论所选择电池的类型如何，在为升压直流 / 直流应用供电时，使用输入关断电压较低和启动电压较低（低至0.35V）的升压器件（例如 MCP1640）会很重要。

使用MCP1640提高电池使用时间——技巧和诀窍

MCP1640 可以帮助提高电池寿命的关键特性有：

• 效率高可达 96%• 用于轻载的 PFM 模式（见图 3 和图 7）• 低输入启动电压（1 mA 负载时的典型值为 0.65V）• 低关断电压（MCP1640/B/C/D 器件可在电压降至

0.35V 之前连续工作）

• 真正输出断路 EN 选项，通过断开 P 沟道 MOS 体二极管来防止从输入到输出的泄漏电流（在该模式下，从电池消耗的电流小于 1 µA）

• 19 µA 静态电流

对于通过不可充电电池（例如碱性电池）供电、消耗数 mA 电流的应用， MCP1640 器件可以一直工作到电压降至必需的小输入电压，以完全利用所有电池电能。如图 19 所示，MCP1640 可以在 1 mA 负载的情况下使用 0.65V 的小输入电压启动，并在输入电压降至0.35V 之前不断进行输出电压稳压。要估算电池在电压低于截止值（0.8V）时的寿命，知道 MCP1640 器件的小工作电压非常重要。

图 19：进入阻性负载的小启动和关断 VIN—IOUT 曲线

t 1800mAh900mA

------------------------ 2h= =

在 0.5 C 下放电时，或者：

t 1800mAh360mA

------------------------ 5h= =

在 0.2 C 下放电时。

0.25

0.40

0.55

0.70

0.85

1.00

0 20 40 60 80 100IOUT (mA)

V IN (V

)

Startup

Shutdown

VOUT = 3.3V

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 10 20 30 40 50 60IOUT (mA)

V IN (V

)

VOUT = 5.0V

Startup

Shutdown


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根据设计注意事项（尺寸和成本等）和负载需求，以下列出了一些可以提高电池寿命的技巧：
• 选择直流串联电阻较低的电感（见图 11）• 选择输入和输出陶瓷电容（直流串联电阻较低）

• 将输出电容增大，大至 100 µF （见图 12）• 增大输入电容，以降低输入电压纹波和降低源阻抗

• 增大反馈电阻（MΩ 量级）

• 通过驱动 EN 引脚来关闭和开启器件，接受较大的输出纹波电压来降低平均输入电流。在单片机应用中，该方法可以降低无负载待机电流。

增大反馈电阻阻值

设计人员可以增大对 FB 引脚进行偏置的反馈电阻网络（连接在VOUT和GND之间）（图 13和图 14中的RTOP和 RBOT）阻值。使用更大阻值的电阻不会影响MCP1640 的稳定性。如果环境条件允许（湿度不会过高），可以使用兆欧级电阻，而不会影响稳定性。

图 20：增大对应于 3.3V 输出的反馈电阻阻值

设计人员可以通过使用通孔插装技术（Through HoleTechnology，THT）电阻来避免潜在的环境干扰问题。较小封装尺寸的 0805 和 0603 电阻（阻值为兆欧级）会在PCB上产生一条会改变VFB电压的泄漏电流路径。使用 THT 电阻进行的测试可得到令人满意的结果，例如 RTOP = 6.8 MΩ 且 RBOT = 3.9 MΩ 时。

对于较长时间处于休眠模式的负载使用输入 /输出旁路选项（MCP1640C/D）

当 EN 引脚为低电平时，MCP1640C 和 MCP1640D 会进入输入 / 输出旁路关断模式。在关断期间，内部 P 沟道MOS晶体管会导通，输入电压通过P沟道MOSFET以旁路方式送到输出上。对于在休眠模式下直接使用电源工作而在正常工作模式下则需要较高电压的应用，该选项可以降低静态电流。在关断模式下，MCP1640C/D 从电池消耗的电流小于 1 µA。反馈电阻也会消耗一部分电流。

对于 MCP1640C/D，在关断期间禁止反馈电阻

根据 RTOP 和 RBOT 的阻值，以及 VOUT 的范围，由反馈网络消耗的电流可能达到数 µA，该电流大于MCP1640 在关断模式下消耗的电流。分析图 13，当两节电池串联（VIN = 2.4V 典型值）时，在 EN 引脚为低电平时由反馈电阻消耗的电流可以使用公式 8 近似计算：

公式 8：

通过将 RTOP 和 RBOT 增大为 6.8 MΩ 和 3.9 MΩ，可以降低所消耗的电流，如以下公式所示：

公式 9：

3.3V

RTOP

（536k）

RBOT

（309k）

1.21V

VOUT

VFB

6M8

3M9

I 2.4V( )976k 309k+( )

----------------------------------- 1.87μA= =

注：不考虑电感或P沟道MOSFET上的电压。

I 2.4V( )6.8MΩ 3.9MΩ+( )

----------------------------------------------- 0.23μA= =


AN1337

一种解决方案是在关断期间，通过使用N沟道MOSFET来断开反馈电阻，以消除 FB 分压器电流路径，如图 21所示。晶体管的栅极通过 EN 引脚进行控制。当 EN 为高电平且MCP1640C/D工作于升压模式时，N沟道FET会导通，反馈网络闭合。当 EN 引脚为低电平时，晶体

管会关断，断开反馈电流路径。建议使用 VGSth 较低的N 沟道 MOSFET。FDN337N 是一种不错的选择，其栅极阈值电压低于 2V。对反馈分压器使用 FDN337N 时，在待机模式下通过使用输入/输出旁路选项，MCP1640C的输入电流可降至 0.75 µA。

图 21：在 MCP1640C 的 EN 引脚为低电平时断开反馈电阻，使用输入 / 输出旁路

驱动 EN 引脚

VIN

开关

FDN337N

RBOT

RTOP

VFB

VIN VIN VOUT

EN

MC

P164

0C

FB

VOUT

FDN337N

RBOT309K

RTOP976K

uC PICI/O

VDD

VIN VOUT

EN

MC

P164

0C

FB

VOUT

VFB

309K

976K

（通过 I/O PIC® MCU 引脚）


AN1337

降低单片机应用中的待机（无负载）输入电流

如果应用通过单节碱性电池或镍镉 / 镍氢电池（VIN =1.2V）供电，并且应用长时间处于待机模式（遥控和电子火炬等），则图 21 给出的框图将不适用，因为单

片机至少需要 2V 的电压才能工作。在休眠模式下，单片机消耗的电流极低（数 µA）。对于类似图 7 的典型应用，测量的输入电流为 40 µA 至 100 µA。设计人员可以在真正输出断路模式下使用工作于 PFM 模式的MCP1640，通过在休眠模式下使用单片机来降低从电池消耗的输入电流。

图 22： MCP1640C 与 PIC® 单片机配合使用的典型应用——降低待机无负载电流

COUT

负载

1.2V

ON/OFF

6 1

3

5

GP1

4

VDD

GP3CIN+

NDS7002

VIN VOUT

ENFB

RT1M3

RM240K

COUT10 µF

负载开关

VOUT

RB510K 10 µF

1.2V

ON/OFF

COUT

6 1

3

5

GP1

4

VDD

GP3CIN+

NDS7002

R11M

10 µFR11M

CIN

VIN VOUT

ENFB

RT1M3

RM240K

10 µF RLOAD

开关

RB510K

PIC10F206SOT23-6

PIC10F206SOT23-6

CINCOUT

MCP1640

MCP1640


AN1337
对于休眠模式或轻载应用， MCP1640 的使能输入将以低速率驱动，以降低平均输入电流。 EN 引脚驱动频率取决于 MCP1640 输出电容值和单片机休眠电流。单片
机只会为了开启 MCP1640 而唤醒（开启一小段时间来推升输出电压）。负载小于 10 µA 时，将输出电容电压充电到 3.3V 的典型时间为 750 ns。

图 23：试验结果——输出电压和驱动信号（左）以及短暂脉冲输入电流（右）：对 EN 引脚使用开关方法（另见图 22 和图 25）

有几种不同的硬件和软件方法可以确定 MCP1640/C 器件的输出电压和 /或用于使能和禁止MCP1640的EN信号的频率。

例如，图 22 给出了两种低成本低元件数应用，它们使用 PIC10F206 来执行主要目标：降低待机模式下断开负载时的输入电流。当 MCP1640 处于关断状态时，它的典型消耗电流为0.75 µA，但在使能模拟比较器的情况下， PIC10F206 的消耗电流超出 100 µA。为了降低该电流，单片机大部分时间都工作于休眠模式。比较器会被定期使能（使用单片机的内部定时器），以验证MCP1640的输出电压。根据图22中的原理图，PIC10F206 在一段很短时间中（当 EN 信号为高电平时）消耗的电流约为 10 µA，处于休眠模式时消耗的电流约为 2 µA。

为了避免在无源元件上损失功耗，应用还使用MCP1640 的反馈网络作为 PIC® MCU 比较器的输入（CIN+ 比较器输入）。反相端输入 CIN- 与 0.6V 的内部PIC MCU 参考电压连接。对于该应用，比较器的阈值电压约为 2.3V。正占空比小于 1%， EN 信号的频率约为0.5 Hz （见图 23）。单片机会定期使能 MCP1640，使之保持至少以 2.0V 的电压偏置。图 24 显示无负载时的输入电流大约降低了 87%，从 90 µA 降为 11 µA。使用按钮作为唤醒功能， EN 信号会永久性地变为高电平，使用 3.3V 稳压电压为单片机供电。

图 24：使用 EN 开关方法时，无负载电流降低 87%由于PIC10F206通过MCP1640的输出供电，所以应用启动时，EN 会有一小段时间为高电平。N 沟道 MOS 晶体管用于驱动 EN 引脚。

1

10

100

1000

0.8 1 1.2 1.4 1.6

No

Lo

ad C

urr

ent

(uA

)

Input Voltage (V)

VOUT = 3.3V, EN=1

VOUT = 3.4...2.3V, EN Switched


AN1337

图 25：应用示例——MCP1640 和 PIC10F206，用以降低待机电流

附录 A：“源代码示例”列出了图 25 所示应用使用的源代码，该源代码针对于 MPLAB® IDE 与 HI-TECH C®

编译器。该代码可以方便地进行修改，以用于具有兼容外设的任意 PIC 单片机。看门狗定时器会定期使能 PICMCU。它的内部比较器会使能一小段时间，以验证MCP1640 的输出电压。如果 VOUT 低于 2.3V 的阈值电压（通过 R2、 R3 和 R4 电阻确定），则会有一个短暂的低电平信号将 NDS7002 晶体管的栅极驱动为低电平，以使能 MCP1640。输出电容会使输出保持高于2.3V、持续时间超过 2 秒。

该解决方案演示了一种可用于长时间运行于休眠模式的任意 PIC MCU 应用的方法。通过实现该方法，电池寿命高可以延长 10 倍。

1.5V

R11M

C110 µF

NDS7002AQ1

V OU

T

R5220

VPP

S1

C51µ

VOUT

L1

4µ7

123

SWGNDEN

VINVOUT

FB

654

MCP1640U1

GP2/TOCKI/

VDD

GP3/MCLR/VP

4

5

6

GP1/ICSPCLKCOUT/FOSC4 /CIN-

VSS

GP1/ICSPDAT/CIN+

R3240k

R21M3 C2

10 µF

PIC10F206

PGD

PGC3

2

1

VOUT

LED负载

R0120

Q2FDN337

VOUT

PGDPGC

VPP 12345

J3

R4510k

ICD2 接口

12345


AN1337

结论

在通过电池供电的低电压升压应用中， MCP1640 提供了灵活的选项来帮助延长电池寿命。 MCP1640 器件可以方便地与单片机连接，并在长时间工作于待机模式的应用中使用，从而使这些应用消耗的电流小于单节电池应用。由于 MCP1640 系列器件具有低工作电压功能，所以可以通过使用该系列器件来延长电池寿命。

参考资料

[1] MCP1640/B/C/D数据手册，《带真正输出断路或输入 / 输出旁路选项的 0.65V 启动同步升压稳压器》，（DS22234A_CN）

[2] AN1311，“Single Cell Input Boost ConverterDesign”，（DS01311）

[3] “Alkaline Manganese Dioxide – Handbook andApplication Manual” ， Energizer BatteryManufacturing Inc.

[4] Energizer E91 Product Data Sheet， EnergizerHoldings, Inc.

[5] “Alkaline Manganese Dioxide Battery,MN1500_US_CT, AA (LR6), Zn/MnO2 batteryProduct Data Sheet”， Duracell®

[6] GP180AAH Product Data Sheet， GP Batteries


AN1337

软件许可协议

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的暗示保证。对于在任何情况下，因任何原因造成的特殊的、偶然的或间接的损害，本公司概不负责。

附录 A：源代码示例//---------------------------------------------------------------------------

// 本软件示例属 Microchip Technology Incorporated所有

// 程序：MCP1640EV-LSBC.c

// 作者：Sergiu Oprea和 Valentin C. Constantin（Microchip）

//

// PIC处理器：PIC10F206

// 说明：

// 演示如何利用 MCP1640降低 PIC单片机应用中的无负载电流

// 应用中使用 HI-TECH C编译器

//

// 修改： -

//

//---------------------------------------------------------------------------

#include <htc.h>

__CONFIG (WDTEN & MCLRDIS & UNPROTECT); // 使用 GP3作为输入引脚，并使能 WDT

//---------------------------------------------------------------------------

// 程序段：处理器 I/O定义

//---------------------------------------------------------------------------

#define EN GP2 //通过 GP2使用反相信号驱动 MCP1640 EN引脚

#define LED GP1 //通过 GP1驱动 LED负载

#define button GP3 //输入按钮位于端口 GP3上

//---------------------------------------------------------------------------

// 程序段：比较器设置

//---------------------------------------------------------------------------

#define COMP_SETUP_1 0b01111011; //使能比较器

#define COMP_SETUP_2 0b01110011; //禁止比较器

//---------------------------------------------------------------------------

// 程序段：工作变量


AN1337
//---------------------------------------------------------------------------
unsigned char temp = 0x00;

bit button_state; // 按钮的状态

bit LED_STATE; // 负载 LED的状态

//---------------------------------------------------------------------------

// 代码段

//---------------------------------------------------------------------------

/****************************************************************************

函数：

void main (void)

概要：

主程序入口点。

说明：

主程序入口点。系统将初始化 PIC处理器和外设，

然后在监视 MCP1640状态的同时无限循环。

返回：

无

**************************************************************************/

void main(void)

{

OPTION = 0b11011011; //GP2设置为输出

TRIS = 0b11111001; //GP2和 GP1的方向为输出

CMCON0 = COMP_SETUP_2; //禁止比较器

if((STATUS & 0xF8) == 0x18) //上电复位？

{

EN = 0; //在上电复位时启动 MCP1640开关操作

}

LED = 0; //关闭负载 LED

button_state = 0;//如果按钮被按住，则将按钮状态设置为低电平，

temp = 0;

LED_STATE = 0; //将 LED状态设置为低电平

/* 无限主循环 */

while(1)

{

if(!button) //如果按钮被按下，

{

CLRWDT();

temp++; //等待

if(temp == 20)

{


AN1337
temp = 0;
if(!button_state) //并且按钮状态为低电平，

{

if(LED==0) //并且 LED熄灭

{

EN = 0; //则开启 MCP1640输出，

for(temp=0;temp<100;temp++) NOP();

LED_STATE = 1;

LED = 1; //并点亮 LED

}

else { LED_STATE = 0; LED = 0; }

button_state = 1; //否则保持 LED熄灭

}

}

} else button_state = 0;

//如果未检测到按钮被按下，并且 LED熄灭：

if ((LED_STATE==0)&&(button))

{

CLRWDT();

CMCON0 = COMP_SETUP_1; //使能比较器； 0.6V内部参考电压

for(temp=0;temp<10;temp++) NOP(); //延时以产生稳定的比较器输出

if(CMCON0&0x80) //检查比较器输出并

{

CMCON0 = COMP_SETUP_2; //禁止它，

EN = 1; //停止开关 MCP1640

temp = GPIO; //读取输出锁存器以避免在引脚状态变化时发生误中断

SLEEP(); //并进入休眠模式

}

else

{

CMCON0 = COMP_SETUP_2; //否则保持禁止它，

EN = 0; //启动 MCP1640

for(temp=0;temp<150;temp++) NOP(); //一小段时间

EN = 1; //然后停止它。

temp = GPIO; //读取输出锁存器以避免在引脚状态变化时发生误中断

SLEEP(); //并进入休眠模式

}

}

else

{

CLRWDT(); //复位内部定时器

}

}

}


AN1337
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在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。

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ISBN：978-1-60932-813-9

DS01337A_CN 第 21 页

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MCU 与 dsPIC® DSC、KEELOQ® 跳码器件、串行 EEPROM、单片机外设、非易失性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合 ISO/TS-16949:2002。此外，Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证。


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菲律宾 Philippines - ManilaTel: 63-2-634-9065Fax: 63-2-634-9069新加坡 SingaporeTel: 65-6334-8870 Fax: 65-6334-8850

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AN1337 - Microchip Technologyww1.microchip.com/downloads/cn/AppNotes/01337A_CN.pdf · 3.3V、输出为5.0V 时，它可提供高于300 mA的负载 电流。详细信息将在后续章节中介绍。

AN1337 - Microchip Technologyww1.microchip.com/downloads/cn/AppNotes/01337A_CN.pdf · 3.3V、输出为5.0V 时，它可提供高于300 mA的负载电流。详细信息将在后续章节中介绍。