便攜式XRF 能譜儀中鋰離子電池恒壓轉換器的研究*

楊博贊，倪子月，王英倩

（1.鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100094；2.鋼鐵研究總院有限公司，北京 100083）

0 引言

X 射線熒光（X-Ray Fluorescence,XRF）是由物質中的組成元素受激產生的特征輻射。X 射線熒光光譜儀通過測量和分析樣品產生的X 射線熒光，即可獲知樣品中的元素組成，得到物質成分的定性和定量信息[1]。隨著現代電子技術的發展，儀器功能模塊有高度集成化的趨勢，且采用小功率X 光管，減少水冷系統，可以大大減小儀器體積。用于現場分析的小型便攜式XRF 能譜儀成為研究熱點[2]。

鋰離子電池是當前綜合性較強的電池體系，具備體積小、高比能量、無記憶效應、質量輕、無污染及高循環壽命等優勢，在電子設備、電動汽車與儲能設備等領域得到廣泛應用與普及[3]。我司研制的便攜式XRF 能譜儀即采用了松下NCR18650BD 鋰離子電池作為設備電源電芯。鋰離子電池放電時，其工作電壓隨著時間的延續而不斷發生變化，對XRF 能譜儀檢測結果的精度和穩定性產生負面影響。

在鋰離子電池輸出端，采用高性能Buck-Boost 拓撲結構芯片LTC3789 設計恒壓轉換器，實現對便攜式XRF能譜儀恒壓供電。

1 設計方案

便攜式XRF 能譜儀額定電壓24 V，最大輸出功率60 W；鋰離子電池組輸出電壓范圍為15 V～25.2 V，最大輸出電流為5 A。恒壓轉換器應實現寬幅輸入電壓情況下的恒壓輸出。

1.1 工作原理

LTC3789 是一款高性能、降壓-升壓型開關穩壓控制器，可以在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下運作。憑借4 V 至38 V（最大值為40 V）的寬輸入和輸出范圍以及工作區之間的無縫和低噪聲轉換，LTC3789 成為了汽車、電信和電池供電型系統的理想選擇[4]。LTC3789 應用電路采用一個電感和四個N 溝道MOSFET 構成基本的Buck-Boost 拓撲結構，其示意圖如圖1 所示。

圖1 四開關Buck-Boost 拓撲結構圖

根據拓撲結構，可知：

式中，Vout是電路輸出電壓，Vin是電路輸入電壓，D1是TG1信號占空比，D2是BG2信號占空比。

LTC3789 采用分壓電阻監視Vout，通過三模式控制方式調節D1、D2維持輸出電壓Vout的恒定。

當Vin＜91.67%Vout時，電路工作在Boost模式。LTC3789 會保持Q1閉合，Q2斷開，即D1=1，僅通過調節D2維持輸出電壓Vout的恒定。

當Vin＞109.09%Vout時，電路工作在Buck 模式。LTC3789 會保持Q3斷開，Q4閉合，即D2=0，僅通過調節D1維持輸出電壓Vout的恒定。

當Vin介于兩者之間時，電路工作在Buck-Boost 模式。LTC3789 會采取Q1、Q3同時閉合或斷開的方式，降低開關切換頻率，維持輸出電壓Vout的穩定[5]。

1.2 電路原理圖

恒壓轉換器電路原理圖主體結構如圖2 所示。

圖2 恒壓轉換器電路原理圖（主體部分）

圖中右側為四開關Buck-Boost 拓撲結構，R4與R5組成輸出反饋電路，輸出電壓Vout由式(2)計算:

左側為恒壓轉換器配置電路。MODE/PLLIN 引腳連接INTVCC，設置輕載時控制器采用跳脈沖模式（Pulse-skipping mode,PSM）。R1與R2組成串聯分壓電路，為RUN 引腳提供不小于1.22 V 模擬電壓,使能LTC3789 內部LDO。SS 引腳通過電容C1接地，為控制器提供軟啟動功能，引導輸出電壓逐漸升高至設定值。恒壓轉換器通過FREQ 引腳電壓配置工作頻率:

當R3=200 kΩ 時，恒壓轉換器工作頻率約為600 kHz。

1.3 電感選型

恒壓轉換器的電感與工作頻率有關，較高的工作頻率可以選擇較小的電感和電容。電感的值與輸出電流的紋波有直接關系，較大的電感有助于抑制電流紋波。電感值可由式（4）、式（5）推算:

式中，f為工作頻率，ΔiL%為電感電流波動的百分比，通常介于20～40 之間，所選電感值應同時滿足以上兩公式要求。

1.4 電流監測

恒壓轉換器工作時采用電流敏感電阻對電感電流和輸出負載電流進行監測。電路圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 電感電流監測電路

圖4 輸出電流監測電路

圖3 中，VITH為輸出反饋電壓與內部參考電壓的誤差放大信號，當R6上的電壓值接近VITH，LTC3789 改變開關狀態。R6的值（單位為mΩ）與恒壓轉換器設置的最大輸出電流有關，如式（6）、式（7）所示。

圖4 中，ILIM 引腳懸空，設置電流敏感電阻R12電壓閾值為100 mV，恒壓轉換器輸出最大電流為3 A，因此：

1.5 PCB 設計

恒壓轉換器PCB 的設計對于抑制電源紋波和電磁干擾非常關鍵。紋波太大或電磁干擾會影響其他器件的正常工作。因此，合理地進行PCB 設計和布局非常重要[6]。

恒壓轉換器設計時應按信號噪聲大小分區布線，四開關Buck-Boost 拓撲結構應布置LTC3789 的遠端。PCB 設計時應保證整個地平面完整，盡可能增大地層面積，縮短信號對地回路，減小紋波和電磁干擾。恒壓轉換器輸入輸出電流大，工作頻率高，PCB 設計時應考慮電路散熱情況，應保證LTC3789 散熱片與地保持良好接觸，銅層厚度可增加至70 μm。恒壓轉換器PCB 設計圖紙如圖5、圖6 所示。

圖5 恒壓轉換器PCB 設計圖（頂視圖）

圖6 恒壓轉換器PCB 設計圖（底視圖）

為節約成本，電路板采用雙層板結構，頂層布置元件，底層設計為地平面。信號地與電源地通過單點連接。

2 實驗測試

2.1 功能實驗

使用鋰離子電池組通過恒壓轉換器為便攜式XRF能譜儀供電，使用示波器觀察滿電量和接近虧電狀態下，恒壓轉換器的工作情況結果如圖7 所示。

圖7 恒壓轉換器工作波形圖

由圖7 可以看出，當Vin=15.0 V 時，轉換器工作在Boost 模式；當Vin=25.2 V 時，轉換器工作在Buck-Boost模式。輸出電壓為23.82 V，工作頻率為600.8 kHz。當控制信號切換時，輸出電壓中有明顯的毛刺噪聲。

2.2 效率實驗

分別在便攜式XRF 能譜儀正常測試時和待機工作時調節輸入電壓，對恒壓轉換器的轉換效率進行測量，結果如表1 所示。為操作方便，這里采用可調直流電源模擬鋰離子電池。

表1 恒壓轉換器轉換效率測試

恒壓轉換器在低壓正常工作模式時，轉換效率較低，為86.4%；其他條件下能夠保持約90%左右，轉換效率優于市場采購同類產品，處于較高水平。對比同類設計文獻[7]，恒壓轉換器效率仍存在優化空間。

3 結論

通過以上設計及實驗論證，設計的恒壓轉換器滿足便攜式XRF 能譜儀的使用要求，解決了鋰離子電池放電過程中電壓衰減的問題，轉換效率優于市場采購同類產品，且仍有優化空間。