便攜式XRF 能譜儀中鋰離子電池恒壓轉(zhuǎn)換器的研究*

楊博贊，倪子月，王英倩

（1.鋼研納克檢測技術(shù)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(zhì)中的組成元素受激產(chǎn)生的特征輻射。X 射線熒光光譜儀通過測量和分析樣品產(chǎn)生的X 射線熒光，即可獲知樣品中的元素組成，得到物質(zhì)成分的定性和定量信息[1]。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)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(tǒng)，可以大大減小儀器體積。用于現(xiàn)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(yīng)、質(zhì)量輕、無污染及高循環(huán)壽命等優(yōu)勢，在電子設(shè)備、電動汽車與儲能設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shè)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(xù)而不斷發(fā)生變化，對XRF 能譜儀檢測結(jié)果的精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。

在鋰離子電池輸出端，采用高性能Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)芯片LTC3789 設(shè)計恒壓轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)對便攜式XRF能譜儀恒壓供電。

1 設(shè)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(zhuǎn)換器應(yīng)實現(xiàn)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(guān)穩(wěn)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(qū)之間的無縫和低噪聲轉(zhuǎn)換，LTC3789 成為了汽車、電信和電池供電型系統(tǒng)的理想選擇[4]。LTC3789 應(yīng)用電路采用一個電感和四個N 溝道MOSFET 構(gòu)成基本的Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖1 所示。

圖1 四開關(guān)Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)，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(jiān)視Vout，通過三模式控制方式調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(guān)切換頻率，維持輸出電壓Vout的穩(wěn)定[5]。

1.2 電路原理圖

恒壓轉(zhuǎn)換器電路原理圖主體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 恒壓轉(zhuǎn)換器電路原理圖（主體部分）

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

左側(cè)為恒壓轉(zhuǎn)換器配置電路。MODE/PLLIN 引腳連接INTVCC，設(shè)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(lián)分壓電路，為RUN 引腳提供不小于1.22 V 模擬電壓,使能LTC3789 內(nèi)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(dǎo)輸出電壓逐漸升高至設(shè)定值。恒壓轉(zhuǎn)換器通過FREQ 引腳電壓配置工作頻率:

當R3=200 kΩ 時，恒壓轉(zhuǎn)換器工作頻率約為600 kHz。

1.3 電感選型

恒壓轉(zhuǎn)換器的電感與工作頻率有關(guān)，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(guān)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(yīng)同時滿足以上兩公式要求。

1.4 電流監(jiān)測

恒壓轉(zhuǎn)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(jiān)測。電路圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 電感電流監(jiān)測電路

圖4 輸出電流監(jiān)測電路

圖3 中，VITH為輸出反饋電壓與內(nèi)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(guān)狀態(tài)。R6的值（單位為mΩ）與恒壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置的最大輸出電流有關(guān)，如式（6）、式（7）所示。

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

1.5 PCB 設(shè)計

恒壓轉(zhuǎn)換器PCB 的設(shè)計對于抑制電源紋波和電磁干擾非常關(guān)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(shè)計和布局非常重要[6]。

恒壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計時應(yīng)按信號噪聲大小分區(qū)布線，四開關(guān)Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)布置LTC3789 的遠端。PCB 設(shè)計時應(yīng)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(zhuǎn)換器輸入輸出電流大，工作頻率高，PCB 設(shè)計時應(yīng)考慮電路散熱情況，應(yīng)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(zhuǎn)換器PCB 設(shè)計圖紙如圖5、圖6 所示。

圖5 恒壓轉(zhuǎn)換器PCB 設(shè)計圖（頂視圖）

圖6 恒壓轉(zhuǎn)換器PCB 設(shè)計圖（底視圖）

為節(jié)約成本，電路板采用雙層板結(jié)構(gòu)，頂層布置元件，底層設(shè)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(zhuǎn)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(tài)下，恒壓轉(zhuǎn)換器的工作情況結(jié)果如圖7 所示。

圖7 恒壓轉(zhuǎn)換器工作波形圖

由圖7 可以看出，當Vin=15.0 V 時，轉(zhuǎn)換器工作在Boost 模式；當Vin=25.2 V 時，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)輸入電壓，對恒壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率進行測量，結(jié)果如表1 所示。為操作方便，這里采用可調(diào)直流電源模擬鋰離子電池。

表1 恒壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率測試

恒壓轉(zhuǎn)換器在低壓正常工作模式時，轉(zhuǎn)換效率較低，為86.4%；其他條件下能夠保持約90%左右，轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于市場采購?fù)惍a(chǎn)品，處于較高水平。對比同類設(shè)計文獻[7]，恒壓轉(zhuǎn)換器效率仍存在優(yōu)化空間。

3 結(jié)論

通過以上設(shè)計及實驗論證，設(shè)計的恒壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率優(yōu)于市場采購?fù)惍a(chǎn)品，且仍有優(yōu)化空間。