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

介紹

當我們今天想到可穿戴技術時，首先想到的是時尚的耳塞、智能手表、智能眼鏡和健身追蹤器。古老的助聽器終于被加入進來，也許很快就會集成到大量的可穿戴設備中。事實上，助聽器似乎再次準備率先采用直接甲醇燃料電池（DMFC）新技術，為這種新的高效電源拋棄傳統電池。如今，電池供電的助聽器通常需要 4 到 5 小時才能充電。這是一個相當高且不方便的停機時間，除非是在就寢時間。但是，如果您的助聽器需要在 30 秒內重新上線怎么辦？這就是DMFC技術的承諾！告別長時間充電，歡迎更快的電量補充。

該設計解決方案回顧了使用燃料電池為助聽器供電的挑戰，以及一次充電需要運行一整天的能量。

400mV電池電壓太低，無法為下游電子設備供電。升壓穩壓器可以解決這個問題，但目前沒有多少穩壓器可以工作在400mV電壓下。在此設計解決方案中，我們提出了一種新型升壓轉換器，該轉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電流。低輸入電壓操作使燃料電池技術能夠應用于助聽器，而其低靜態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子交換燃料電池。它們的主要優點是易于處理甲醇，甲醇是一種在所有環境條件下能量密集且穩定的液體。DMFC由中央質子導電膜或聚合物電解質膜（PEM）組成，由燃料側的陽極和空氣側的陰極包圍。甲醇燃料在陽極催化氧化，提供維持電流的電子。質子通過膜被引導到陰極，在那里它們與氧和電子結合形成汽化的水和可忽略不計的二氧化碳。

能量密度為4466Wh/l，270μl甲醇的能量含量E為：

E = 4466 x 270μ = 1.2Wh

假設燃料電池效率為10%，我們的有用能量為120mW。當電池電壓為0.4V時，我們的等效存儲電荷為：

助聽器框圖

圖2顯示了典型的助聽器框圖。甲醇燃料電池提供高達 300mAh 的電量，通過 DC-DC 升壓穩壓器為板載 DSP、麥克風、揚聲器、ADC、DAC 和放大器供電。

圖2.甲醇動力助聽器框圖。

在典型情況下，消耗平均電流為12mA的系統將持續一天多一點：

挑戰

升壓轉換器的低輸入電壓操作對于基于 DMFC 的系統至關重要。小尺寸是助聽器等小型可穿戴設備的必備條件。高效率和低靜態電流對于最佳能量利用率和加注之間的最長運行時間也很重要。但這些都是相互沖突的要求。增加穩壓器的工作頻率將減小無源器件的尺寸，但會增加損耗，從而降低其效率。

差異化助聽器產品的提供也產生了對多個定制版本的穩壓器的需求，特別是在輸入/輸出電壓和電流規格方面。因此，助聽器制造商可能被迫維護大量且昂貴的不同調節器和無源器件庫存，以支持它們。

最先進的解決方案

例如，MAX17220毫微功耗同步升壓轉換器（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標準1%電阻選擇的輸出電壓。新穎的真關斷?模式可產生納安級的漏電流，使其成為真正的毫微功耗器件。

圖3.升壓轉換器應用示意圖

體積小

MAX17220、MAX17221、MAX17222、MAX17223、MAX17224、MAX17225系列升壓轉換器的每一個細節都經過精心挑選，以實現最低功耗和最小的解決方案尺寸。 高達2.5MHz的開關頻率、微型封裝選項、單輸出設置電阻、300ns固定導通時間以及三個限流選項等細節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：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電流

毫微功耗升壓轉換器具有超低靜態電流，設計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，輸入靜態電流（I秦） 的 IC 為 0.5nA （啟動后使能開路）和輸出靜態電流 （I庫特） 為 300nA。

圖4.具有較低關斷和靜態電流的升壓轉換器。

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

我QOUT_IN= I庫特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的總輸入靜態電流（I清特).該靜態電流比典型升壓穩壓器的10μA低12倍，如前例所述。

高效率

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

圖5.高效升壓轉換器，具有低導通電阻、板載動力總成 MOSFET 晶體管。

啟用瞬態保護模式

升壓轉換器還包括一個使能瞬態保護（ETP）模式的選項。當存在上拉電阻時，由輸出電容供電的額外片內電路可確保EN在輸入端發生短暫瞬態干擾時保持高電平。在這種情況下，上面計算的靜態電流增加了幾十納安。

物料清單優勢和智能 V外選擇

MAX17224省去了用于設置輸出電壓值的傳統電阻分壓器，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僅在啟動時消耗高達 200μA 的值。單個標準 1% 電阻器設置 33 種不同輸出電壓之一，在 1.8V 和 5V 之間以 100mV 的增量相隔。結果是BOM略有減少（少了一個電阻），簡化了庫存（一個穩壓器用于多種應用），并降低了靜態電流。

結論

直接甲醇燃料電池技術有望解決電池供電的可穿戴設備的一大缺點，即電池充電需要很長時間。通過利用甲醇作為能源，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充，將充電時間減少到僅幾秒鐘的重新填充。但是燃料電池產生的低電壓可能會在其廣泛采用中造成問題。我們推出了一款非常低的輸入電壓、超低靜態電流、高效率升壓轉換器，可以彌合DMFC的低輸入電壓和助聽器的高壓電子設備之間的差距，一次補充即可無縫運行一整天。

審核編輯：郭婷