超低輸入電壓DC-DC變換器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

常伯儀

（天津力神特種電源科技股份公司，天津 300384）

0.引言

近年來，為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化危機(jī)，聯(lián)合國陸續(xù)達(dá)成了多項(xiàng)協(xié)議以應(yīng)對(duì)氣候變化進(jìn)程。其中，《巴黎協(xié)定》提出,全球?qū)⒈M快實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放達(dá)峰，到21世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)全球凈零排放。同時(shí)在今年“碳達(dá)峰、碳中和”被首次寫入我們國家的政府工作報(bào)告中，未來綠色能源清潔能源將成為我們?nèi)粘Ｉ钪兄饕哪芰縼碓础Ｔ谀壳耙阎男履茉醇夹g(shù)領(lǐng)域中，光伏發(fā)電、生物能發(fā)電、熱電池、等占比相當(dāng)可觀，也成為主要的研究對(duì)象。這幾種發(fā)電方式均存在單體輸出電壓較低，輸出功率較小，輸出能量無法連續(xù)的特點(diǎn)，需要通過陣列組合方式或外部電子升壓電路配合才能實(shí)現(xiàn)足夠的電壓輸出，并將輸出的電能存儲(chǔ)在外部電池中，實(shí)現(xiàn)電能利用的削峰填谷。在實(shí)際應(yīng)用中，我們以生物燃料電池為例，其單體輸出電壓為0.3V～0.9V，輸出電流1.5A左右。若將其產(chǎn)生的能量收集至鋰電池中，需要DC-DC電路提供輸出電壓為3.6V～4.2V可調(diào)電壓輸出，并可以向電池負(fù)載提供最大100mA恒流輸出，且效率高于60%。經(jīng)多方調(diào)研，目前國內(nèi)尚無滿足此超低輸入電壓范圍的恒流輸出DC-DC升壓解決方案[1]。

1.系統(tǒng)概述

經(jīng)設(shè)計(jì)選型TPS61200 器件作為主控升壓芯片，它可以為由單節(jié)、2節(jié)或3節(jié)堿性、鎳鎘或鎳氫電池或單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池供電的產(chǎn)品提供電源解決方案。也能被應(yīng)用在燃料電池或太陽能電池供電的設(shè)備中，在此類應(yīng)用中處理極低的輸入電壓能力十分重要，其可能達(dá)到的輸出電流取決于輸入與輸出電壓比。在使用一個(gè)單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池并且將其放電至2.6V輸入時(shí)，此器件在升搞電壓至 5V輸出時(shí)可以提供高達(dá)600mA的輸出電流。此升壓控制器基于一個(gè)固定頻率、脈寬調(diào)制（PWM）控制器，同時(shí)使用同步整流來獲得最大效率。在低負(fù)載電流情況下，此轉(zhuǎn)換器進(jìn)入省電模式以在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)保持高效率。在沒用進(jìn)入低功耗模式時(shí)，可以讓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在固定的開關(guān)頻率下。平均輸入電流被限制在1500mA的最大值上。通過一個(gè)外部電阻器分壓器可對(duì)輸出電壓進(jìn)行編程，或者在芯片上對(duì)輸出電壓進(jìn)行內(nèi)部固定從而獲得固定或者可調(diào)的輸出電壓。轉(zhuǎn)換器具有低功耗模式，進(jìn)入該模式可以大大減少外部輸入電池輸出能量消耗，而且在關(guān)斷期間，負(fù)載從電池上完全斷開，與輸入端實(shí)現(xiàn)完全隔離。此器件采用10引腳3mm×3mm VSON封裝，其熱阻抗系數(shù)為2.8℃/W，使得其在無外加散熱片的應(yīng)用中TJ溫升極小，可滿足小尺寸PCB的應(yīng)用。

系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示，TPS61200作為主控?fù)Q能芯片，R1和R2作為輸出電壓設(shè)定電阻，調(diào)節(jié)所需的實(shí)際輸出電壓。D1輸出保護(hù)二極管采用SM74611理想二極管，其輸出正向壓降僅為26mV@8A，在電路中防止外部電池電壓高于輸出電壓時(shí)出現(xiàn)的電流倒灌情況。由基準(zhǔn)電壓源TL431和精密低功耗運(yùn)算放大器組成了最大功率點(diǎn)跟蹤電路（MPP），運(yùn)算放大器主要用作比較器它將生物燃料電池的電壓與參考電壓進(jìn)行比較。該參考電壓由TLV431和通過更改電阻R4進(jìn)行調(diào)整。也可以使用電位計(jì)代替電阻分壓器能夠根據(jù)不同的生物燃料電池類型和不同的條件調(diào)整電路。由于微生物營養(yǎng)條件與環(huán)境溫度對(duì)電池的可用功率有很大影響，因此對(duì)優(yōu)化后的MPP的電壓值對(duì)電池工作狀態(tài)有很大影響。在實(shí)際應(yīng)用中，可以先用電位計(jì)找到特定生物燃料電池MPP的理想值后，再用固定電阻分壓代替。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，外部MPP電路就使能主轉(zhuǎn)換器開始工作，激活主開關(guān)立即增加從生物電池中獲得的輸入的電流，同時(shí)輸出功率也大幅提升。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸入電流與輸出電流由輸出分壓器設(shè)置的轉(zhuǎn)換比決定。如果需要降低輸入電流，可以使用MPP電路通過向TPS61200的反饋電路注入電流，將設(shè)定輸出電壓降低到更低的值。隨著轉(zhuǎn)換器輸出電壓的降低，輸入電流也隨之降低。這會(huì)降低生物電池的電流，并降低由于生物電池輸出電阻產(chǎn)生的電壓降，使得其工作在最佳的功率點(diǎn)上[2]。

圖1 電路原理圖

2.性能分析

為充分驗(yàn)證電路性能，進(jìn)行了加載測(cè)試，選用滿電電壓為4.2V的三元鋰離子電池作為負(fù)載，將其電壓分別放電至2.5V、3.5V，即半電和放空狀態(tài)，并測(cè)量在兩種狀態(tài)下的電路工作情況，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 電路工作數(shù)據(jù)@儲(chǔ)能電池2.5V

表2 電路運(yùn)行參數(shù)@儲(chǔ)能電池3.5V

將表中數(shù)據(jù)經(jīng)整理分析得出，本電路在不同負(fù)載狀態(tài)下的輸出效率特性曲線，如圖2所示。并可知在輸入電壓大于0.3V即可正常工作，輸出穩(wěn)定的電壓電流，在0.55V時(shí)電路整體工作效率均大于50%，滿足在極低輸入電壓下的輸出條件[3]。

圖2 負(fù)載特性曲線

3.結(jié)語

本電路經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，可以滿足在0.3V～0.9V的極低輸入電壓下，實(shí)現(xiàn)2.5V～3.6V連續(xù)可調(diào)輸出，并可以向鋰電池提供不超過100mA的最大充電電流，適用于在較低輸入電壓的新能源電池能量變換，能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。