便攜設(shè)備單片集成Boost型DC/DC轉(zhuǎn)換器的分析與應(yīng)用

曹躍進，唐海洋，李文鵬

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710048）

便攜設(shè)備單片集成Boost型DC/DC轉(zhuǎn)換器的分析與應(yīng)用

曹躍進，唐海洋，李文鵬

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710048）

隨著科技水平的提高，各種各樣便攜式的電子產(chǎn)品廣泛采用電池供電。為了實現(xiàn)某油田無線通訊系統(tǒng)的供電電源高效率、體積小、外圍電路簡單等特點，本文采用單片高性能電流控制型PWM調(diào)制芯片TPS61080作為電源的核心部分，設(shè)計了一款Boost型DC/DC轉(zhuǎn)換的開關(guān)電源，文章分析了芯片及其電路的工作原理和工作性能。實驗結(jié)果表明，此開關(guān)電源輸出16V電壓能較好地滿足該產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

TPS61080；PWM；升壓；開關(guān)電源；DC-DC

隨著智能化時代的到來，各類電子產(chǎn)品的發(fā)展趨于小型化、質(zhì)量輕、高效率等特點。這些便攜式的消費類電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對供電系統(tǒng)的要求也會隨著產(chǎn)品的需求而改變，應(yīng)用領(lǐng)域的多元化推動了電源管理芯片的多樣性，許多應(yīng)用電池供電的領(lǐng)域都要求電池有更長的續(xù)航能力、自身及應(yīng)用電路的體積小，重量輕等特點。采用單片高度集成PWM控制的升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片是高效節(jié)能型的電源管理系統(tǒng)的核心，TPS61080應(yīng)用峰值電流模PWM控制技術(shù)，進行低噪聲工作，具有轉(zhuǎn)化效率高、易于控制、輸出紋波小等優(yōu)點[1-3]。

由Boost開關(guān)電源的原理和特點，文章介紹了電路的各個子模塊。根據(jù)每個子電路的特殊需求，分析了它們的應(yīng)用功能，應(yīng)用中合理地選擇外圍電路[4-5]及所需器件，并在完成電路原理分析、電路原理圖的繪制以及電路板制作的基礎(chǔ)上，實驗驗證了理論分析和電路設(shè)計的正確性。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)的總體工作原理框圖及芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

此次設(shè)計是以TPS61080高度集成升壓芯片為核心。

TPS61080是一款輸入DC2.5～6 V，輸出最高可達DC27 V，電流500 ma，電源效率η可以達到83%左右（實際值），理論值可達87%，開關(guān)頻率600 kHz/1.2 MHz的芯片。其Boost結(jié)構(gòu)，采用峰值電流模PWM控制方式，芯片具有效率高，啟動電壓低，輸出范圍大等特點，該芯片將控制電路，保護電路，補償電路，以及功率管單片集成，簡化了外圍電路。系統(tǒng)的總體工作原理框圖及芯片內(nèi)部電路圖如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體工作原理框圖

圖2 TPS61080內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 Boost電路的基本工作原理

Boost型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片的種類繁多，但是它們的基本工作原理[6-8]大同小異。該電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，Boost轉(zhuǎn)換器電路主要由功率開關(guān)管M1、電感L1、續(xù)流二極管D，、輸出濾波電容COUT以及負載RL組成。其中電感、負載電容的ESR均未畫出，但實際是存在的，在選擇電路參數(shù)時是需要考慮的。

圖3 Boost轉(zhuǎn)換電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖

隔離MOS管M2保持導(dǎo)通狀態(tài)，當功率開關(guān)管M1導(dǎo)通時，由于其導(dǎo)通電阻（RDSON）小，續(xù)流二極管D的陽極與電源的負極相通，二極管承受的是反向電壓，D處于截止狀態(tài)，此時輸出濾波電容COUT與負載RL構(gòu)成回路，電源與電感L1和功率開關(guān)管M1組成另一條閉合回路，隨著電池放電時間的累積，電感電流尚未達到飽和之前流過電感L1的電流不斷增加，能量儲存在電感L1中，而電容COUT則向負載RL供電，其等效電路圖如圖4所示。

圖4 當開關(guān)管M1導(dǎo)通時的等效電路圖

隔離MOS管M2仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，M1受控關(guān)斷后，流過電感L1的電流不能立即改變，在開關(guān)管M1關(guān)斷的瞬間L1兩端的電壓反相（左負右正），L1放電，使續(xù)流二極管導(dǎo)通，與電容COUT和負載RL構(gòu)成回路釋放能量，能量轉(zhuǎn)化儲存于濾波電容COUT上，其等效工作電路圖如圖5所示。

圖5 當開關(guān)管M1截止時的等效電路圖

由TPS61080內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（圖2）所知，當電路中發(fā)生短路時隔離MOS管M2會處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣就會使輸入與輸出完全隔離，電路停止工作以保護芯片。同時也可以避免電池由電感L1、續(xù)流二極管D形成漏電回路進行沒有必要的消耗電能，增加電池的巡航能力。

1.3 Boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器的各個模塊及可靠性分析

1.3.1 Boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器的各個模塊

該轉(zhuǎn)換器包含以下模塊:帶隙基準模塊、PWM比較器模塊、Thermal Shutdown過溫關(guān)斷模塊、EA誤差放大器模塊、Enable使能信號產(chǎn)生模塊、Ramp Generator模塊、OSC模塊、Current sensing模塊、Soft start模塊和Logic模塊。

此系統(tǒng)的正常工作過程:輸入電壓經(jīng)輸入電容濾波后供給TPS61080，輸出電壓VOUT由R1和R2串聯(lián)分壓，經(jīng)采樣電阻得到反饋電壓VFB，VFB與基準電壓比較輸出一個誤差信號，該信號輸出到PMW比較器的反相輸入端，同時將對電感電流的采樣信號與斜坡補償電流信號疊加以后送入比較器的同相輸入端，PWM比較器的輸出信號與1.2 MHz的方波共同決定開關(guān)管M1開關(guān)信號的占空比，從而達到控制輸出電壓的目的。

1.3.2 Boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器的可靠性分析

1）短路保護

負載被短路的情況，由于M2與VIN以及電感L1的一端相連，負載被短路時，VOUT會迅速下降，當VOUT-VIN＜1.4 V并持續(xù)13 us，M2會被觸發(fā)而關(guān)閉；當電流超越短路保護電流參數(shù)值時，M2會關(guān)斷一段時間，直到短路保護機制消除，恢復(fù)正常工作。

2）過溫保護和過壓保護

過壓保護（OVP）電路在輸出電壓超過其上限值28 V時會導(dǎo)致電源開關(guān)關(guān)閉；若VOUT低于下限值0.7 V時，那么轉(zhuǎn)換器會重新開始PWM工作。過溫保護在模塊介紹中已經(jīng)敘述過。

2 外圍電路元件的選擇、原理圖以及其PCB

2.1 外圍電路元件的選擇

該轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部集成了NMOS功率開關(guān)管，因此大大減少了外圍元件[11-15]的數(shù)量，降低了PCB板的復(fù)雜程度。Boost型轉(zhuǎn)換器經(jīng)常用作升壓轉(zhuǎn)換器向負載供能，在低功耗的應(yīng)用電路中，Boost型轉(zhuǎn)換器一般不工作在連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，這樣可以減小所需要的電感。

2.1.1 選擇輸入電容

電容是存儲能量的電器元件，電容通過充電放電的過程實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，并且可以限制輸入噪聲源的干擾。輸入電壓是具有一定變化范圍的直流電壓，這個電容必須有低的等效串聯(lián)電阻（ESR），因此陶瓷電容是比較好的選擇。用一個電容值大于或等于4.7 μF的電容，物理連接時必須靠近VIN管腳。電容的作用不僅降低了VIN端的電壓紋波，同時還降低了傳遞給其他電路的EMI干擾。

2.1.2 選擇輸出電容

大多數(shù)應(yīng)用中，輸出端接一個單一的4.7～10 μF的陶瓷電容就可以了。若需要更大一點的電容來提高線性度和瞬態(tài)響應(yīng)，鉭電容可以并聯(lián)陶瓷電容（陶瓷電容的寄生阻抗由其自身決定，ESR小且與開關(guān)頻率無關(guān)）使用，輸出電壓的紋波和負載電流成正比，輸出電壓紋波計算公式如式（1）所示:

其中VIN為輸入電壓，ILOAD為負載電流，Cout為輸出電容，fsw為1.2 MHz（開關(guān)頻率）。

2.1.3 選擇電感

電感也是一種儲能元件，可以在低電壓的驅(qū)動下實現(xiàn)升壓。選擇電感時選直流電阻（DCR）低并且其飽和電流值大于系統(tǒng)本身的SW電流限制值的20%。一個決定電感的準則是大約電感紋波電流為其峰峰值電流的30%～40%。確保電感電流的峰值低于典型電流限制的75%，這樣可以阻止由于電流限制的變化帶來的調(diào)整損失。

式中ILOAD（MAX）是最大負載電流，ΔI為峰峰電感電流紋波，η為轉(zhuǎn)換效率，IL為電感電流平均值，IPK為峰值電流，T為開關(guān)周期。由公式（5）可知紋波電流和電感值成反比，增大電感不僅可以降低輸出電壓紋波，還增大系統(tǒng)對負載電流的驅(qū)動能力。具體電感值的確定應(yīng)以輸入輸出條件和系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性為根據(jù)，選擇電感值時總要綜合考慮。

2.1.4 選擇分壓電阻、前饋電容和軟啟動電容

為了得到不同的輸出電壓值，外圍電路的分壓電阻R1、R2需要合理地選擇，計算公式如下:

回饋電路中，前饋電容可以改善電路的瞬態(tài)響應(yīng)和相位余量，經(jīng)驗值選擇42 pF；軟起電容的選擇跟需要的軟起時間有關(guān)，計算公式如下:

其中ISS為軟起偏置電流，典型值為5 uA，1.229 V為典型帶隙參考電壓，CSS為軟啟動電容值。

2.2 原理圖

原理圖及PCB圖如圖6所示。

圖6 電路原理圖及PCB

3 實驗結(jié)果

本次實驗設(shè)計的是輸出16 V/24 V的升壓電路，下圖波形接的負載為4～20 mA的傳感器，圖7中1通道的波形為電路輸出電壓的波形（上），2通道的波形為負載采樣電阻的電壓波形（下），為了得到更好的波形即希望得到紋波較小的電壓波形且?guī)ж撦d的能力更好，分別做了5組實驗，C1=4.7 μF，CSS=22 nF，C3=120 pF，L1=6.8 μH 得到COUT與紋波值數(shù)據(jù)如表1。圖7為滿足條件的波形圖。

表1 16 V及24 V時訓(xùn)練測試實驗紋波數(shù)據(jù)

圖7 16 V（左）和24 V（右）輸出的波形及負載采樣電阻波形

因此由訓(xùn)練實驗數(shù)據(jù)分析可得到所需要的輸出電容值進而得到外圍電路參數(shù)，實現(xiàn)電路的功能。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的便攜式DC/DC升壓電路可以應(yīng)用于各種便攜式消費類電子產(chǎn)品，也可以用于小型的采用電池供電的各種儀器儀表，測試性能良好但是為了更好地滿足工業(yè)現(xiàn)場及特定儀器的需求，此設(shè)計仍需要進一步的提高、改進和完善，擴大更廣泛的實際應(yīng)用價值。

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Analysis and application of monolithic boost DC-DC converter in the portable equipments

CAO Yue-jin，TANG Hai-yang，LI Wen-peng
（School of Electronic and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an710048，China）

With the development of science and technology，sorts of the portable electronic products have been powered by the battery，this way for power is increasingly becoming more and more convenient.In order to realize the power supply with high efficiency，small size，simple peripheral circuit characteristics of the wireless communication system of Oilfield.In this paper，a high-performance current-mode pulse width modulation control chip TPS61080 as the core part of the power of control to design a Boost DC-DC converter switching power supply.The working principle and the working performance of the IC with the peripheral circuit are analyzed.The experimental results show that this switching power supply can better meet the application of portable products well when the output voltage is 16 V.

TPS61080；PWM；boost；switching power supply；DC-DC

TN86

A

1674-6236（2017）23-0143-04

2016-10-11稿件編號：201610049

曹躍進（1957—），男，陜西渭南人，碩士，副教授。研究方向：電力電子及電力傳動控制系統(tǒng)，計算機應(yīng)用技術(shù)、工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)等。