干电池升压方案与输出能力解析干电池作为最常见的便携电源之一实际能输出多大电流、适合怎样的升压应用是很多硬件工程师在选型时容易忽略的问题。下面结合干电池规格书和实际测试数据对干电池的电压范围、输出能力、负载特性以及专用升压芯片的选择做一个系统梳理。干电池的工作电压区间一节标准干电池的标称电压是1.5V全新电池空载电压通常在1.6V到1.65V之间属于满电状态随着放电进行电压逐步下降一般把0.9V到1V视为亏电截止点。也就是说单节干电池 usable 的电压范围大致是1.0V到1.65V在做升压设计时必须覆盖这一区间。干电池输出电流性能参考以5号电池为例下面这张表整理自常见干电池厂商的规格书反映的是不同电压下电池能够持续提供的电流能力供评估负载时参考。从表中可以看出干电池的输出电流并不大。如果目标负载需要5V/1A不考虑效率的情况下按功率换算单节1.5V干电池需要输出超过3.3A即使两节串联3V供电每节也要承受约1.7A三节串联4.5V时每节约1.1A。这些数值已经远超普通干电池的连续输出能力因此直接用干电池驱动5V/1A以上负载并不现实。如何理解干电池的负载能力干电池的内阻和容量特性决定了它更适合小电流、间歇性负载。在智能手机还是5V/1A、5V/2A就算快充的年代确实出现过用两节电池升压到5V给手机充电的产品但到了如今5V/3A、9V/2A甚至更高功率的快充时代这类方案已经难以满足需求。以华为手机为例最小充电电流往往也在5V/1A到2A之间干电池供电很难跟上。因此干电池升压更适合给MCU、传感器、低功耗模块、稳压电源等小电流场景供电而不是大功率充电。专用干电池升压芯片PW5100平芯微在小型电池升压领域做了较长时间积累PW5100是其中比较有代表性的产品。这款芯片可选固定输出3.3V、5V或3V主打单节或两节、三节干电池升压强调低静态功耗和一定的输出电流能力适用镍氢电池、干电池、纽扣电池等小型电源。从市场反馈来看PW5100在相关平台上积累了较多用户评价覆盖的客户群体也比较广是干电池升压方案中常被提及的一款芯片。不同封装电感对输出电流和效率的影响PW5100外围非常简单只需要两颗贴片陶瓷电容和一颗电感陶瓷电容用常见的0603封装即可。电感则要根据输出电流来选市面上有0603、0805、1206这类贴片电感体积小、外观简洁在小电流场合可以用。但要注意电感体积越小内部绕线越细直流阻抗会明显增大效率和输出能力都会下降差距可能达到10%到50%。如果追求更高效率建议选用屏蔽电感或一体成型电感例如NR3012-4.7uH或0530-4.7uH规格。下面的测试数据采用0530-4.7uH一体成型电感测得。PW5100常用于干电池升压恒压3.3V、5V、3V等场景比如干电池稳压电源、给32位单片机供电等应用。真关断控制版本PW5103与PW5150有些应用需要通过EN脚完全切断芯片的输入输出通路。PW5100属于异步升压架构EN脚只能控制升压功能启停并不能做到真正的VIN到VOUT关断。针对这类需求平芯微推出了支持真关断的产品PW5103固定输出3.3VPW5150固定输出5V。两者输出能力与PW5100接近具体数值不再重复列出。电荷泵升压与专用干电池升压芯片的差异PW5100之所以受欢迎很大原因是外围简单两个贴片电容加一个电感对新手也比较友好。于是有人会问能不能干脆不用电感只用几个电容实现升压这种三电容方案其实就是电荷泵架构比如PW5410B支持1.8V到5V输入、升降压恒压3.3V输出电流约100mAPW4004A支持2.7V到4.5V输入、输出5V电流约230mA。但在干电池升压这个特定场景下电荷泵相比PW5100这类专用电感型升压芯片优势并不明显主要体现在以下几个方面。静态功耗偏高电荷泵芯片的静态电流通常在几百微安级别想要更低只能靠EN脚开关控制。而PW5100的静态电流可以做到10uA左右输入电压越高还会进一步降低对电池续航更友好。输出电流有限电荷泵基于电容储能输出电流天然受限而PW5100采用电感储能输出能力更强能够覆盖更多实际负载需求。空间优势不突出PW5100搭配0805封装电感即可工作输出能力反而比电荷泵大很多因此并不会因为省掉电感而显著缩小整体体积。小结干电池的输出电流能力有限不适合直接驱动大功率负载。以PW5100为代表的专用干电池升压芯片凭借外围简单、静态功耗低、输出能力适中的特点更适合给低功耗电子设备、单片机系统、稳压电源等场景供电。如果对完全关断有要求可以考虑PW5103或PW5150而如果追求更高效率则建议选用屏蔽电感或一体成型电感而不是一味使用超小封装贴片电感。