用MAX1771開發(fā)的一種低壓大電流DC/DC升壓變換器

摘要：介紹一種低電壓、大電流DC/DC升壓器的工作原理及特性，開發(fā)過程中的幾個關(guān)鍵問題和一部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：DC/DC升壓器海水電池單元電路

e Low－ voltage and Heavy－ current DC/DC Step－ up Converter

Developed Using MAX1771

Abstract:The paper introduces the operating principle and performance of a low－ voltage and heavy－ current DC/DC conversion,some techincal problems and some test data in developing period

Keywords:DC/DC step－ up converter Sea－ water power Unit circuit

1引言

　　在許多應(yīng)用場合，都需要將低電壓升至適合用電設(shè)備使用的較高電壓。如太陽能電池供電電路，常需要將其0.8～1.4V的低電壓升至可供使用的5V,甚至更高的電壓。再如一種供海上設(shè)備使用的電源，鋁—空氣海水特種電池，其端電壓為0.5～1.5V,必須將這么低的電壓升至可供使用的6V、12V或24V等標(biāo)準(zhǔn)電壓，而且要求DC/DC變換器的輸出功率在12W以上。因而有必要開發(fā)出一種低電壓、大電流DC/DC升壓變換器。

　　筆者應(yīng)客戶要求，設(shè)計(jì)一種供“鋁－空氣海水電池”所使用的特殊DC/DC變換器，其框圖如圖1示。

圖1

　　該DC/DC變換器，在主逆變電路中利用高效開關(guān)器件MOSFET及高性能IC控制器，并利用蓄電池電壓作為輔助電源，確保了海水電池端電壓低至0．5V時，變換器仍能正常工作。

2工作原理

2．1單元電路

　　（1）MAX1771控制芯片簡介

　　MAX1771采用BiCOMOS工藝制造，該控制器采用獨(dú)特的控制方案，結(jié)合PFM（脈沖頻率調(diào)制）及PWM（脈沖寬度調(diào)制）的優(yōu)越性，提供一個高效、較寬電壓調(diào)節(jié)范圍的電源。前者具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波較大。后者在重載情況下具有較高的效率，噪聲小。該控制器采用的是一種改進(jìn)型的限流PFM控制方式，控制電路限制電感充電電流，使其不超過某一峰值電流。既保持了傳統(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，同時在較重負(fù)載下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值電流，采用很小體積的外圍元件就可獲得滿意的輸出紋波，這樣便于降低電路成本及電路的尺寸。

　　MAX1771的引腳如圖2所示：

圖2

　　1腳EXT：柵極驅(qū)動，接N溝道功率管。

　　2腳V＋：電源電壓輸入端，（正端）。

　　3腳FB：調(diào)節(jié)輸出電壓信號的反饋輸入，接地為固定輸出電壓，接電阻分壓器調(diào)節(jié)輸出電壓。

　　4腳SHDN：關(guān)斷模式的關(guān)斷輸入，接地為正常操作。

　　5腳REF：對于外接負(fù)載是100μA的1．5V參考電壓輸出。

　　6腳AGND：模擬信號地。

　　7腳GND：從輸出驅(qū)動器返回的大電流地。

　　8腳CS：該點(diǎn)電位傳送到內(nèi)部電流傳感器的放大器，將電流傳感器電阻接到CS和GND之間。

　　MAX1771極限參數(shù)：

　　(2)單元電路簡介

　　圖3為MAX1771應(yīng)用的典型電路，Ui的輸入范圍為2～16.5V，而海水電池的輸出電壓為0.5～1.5V,這樣低的電壓無法使該變換器正常工作。筆者將這一電路作了一個小改動（見圖4）,使該控制器的電源供應(yīng)端V＋由Ui移至Uo,由于Uo是和蓄電池相連接的,這樣蓄電池就成了本電路的一個輔助電源,確保了在任何電源電壓Ui下都能使該電路正常工作,從而解決了低電壓正常起動DC/DC變換器的問題。

圖3

圖4

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　　升壓型DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，開關(guān)S導(dǎo)通時電池給電感L充電，在L中儲存能量LI2/2（I為電感電流）。S斷開后，L中的磁能又以電能形式釋放出來供給濾波電容C2和負(fù)載RL。周期性的開關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負(fù)載，而輸出電壓被變換為：

Uo=Ui/（1－D）（1）

圖5

　　MAX1771的占空比D可達(dá)90％，由式（1）可看出D=90％時，該單元電路的升壓幅度為最大，以Ui=0．5V計(jì)算。則

Uo=0.5/(1－0.9)=5V

　　也就是說在海水電池Ui為最低電壓時，該單級升壓電路最大也只能升至5V，要升至所需的12V或24V，則必須采用多級升壓的辦法。

　?、趩卧娐返淖畲螳@取功率

　　由于MAX1771的應(yīng)用電路中只需少量外圍元件，所以在決定應(yīng)用電路的最大輸出電流、系統(tǒng)效率以及電路體積方面，電感都起著重要的作用。該儲能電感主要考慮的參數(shù)有電感量，、飽和電流和直流電阻。電感量的大小主要由最大輸出電流所決定，小的電感可使電路提供較大的電流，但同時也增大峰值電流，使效率降低。較大的電感有利于減小電流的脈動，降低輸出紋波，但同時也減少了單元電路從電源輸入端獲取的輸入電流值，減少了單元電路的輸出功率。另外，繞制電感的磁心材料也應(yīng)盡量選取磁飽和電流大的高性能磁心材料。在本電路的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)選擇足夠小的電感（盡量獲取較大的電感電流），同時又不破壞電路的其它工作條件，以期獲得最好的變換效果。

　　由于Ui的確太低，該變換器中開關(guān)管的管壓降是電路損耗的主要原因，為了盡量減小開關(guān)管的管壓降，提高其變換效率，除選用導(dǎo)通電阻盡可能小的開關(guān)管外，還采用多個開關(guān)管并聯(lián)的辦法進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻。

　　由于手冊中MAX1771Ui的最小值為2V，而本項(xiàng)目中的Ui為0.5V～1.5V,這樣低的電源電壓其試驗(yàn)數(shù)據(jù)只有自己在試驗(yàn)中獲得。筆者在經(jīng)過許多次試驗(yàn)后，以圖4的電路為基本單元電路，確定了電路元件的參數(shù)，并以圖6的方法測試其電路性能，得到表1所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表1的數(shù)據(jù)可以看出：

圖6

表1

　　由于Ui實(shí)在太低，使電路表現(xiàn)出一種非常特殊的電路特性，既便是犧牲整體電路的效率和電路的穩(wěn)定性，也無法使該單元電路輸出較大的功率，更不用說輸出12W以上的功率了。為了解決這一難題只有采用以下的辦法。

2．2單元電路的串并聯(lián)

　?。?）單元電路的并聯(lián)

　　為了在如此低的電壓下獲取盡可能大的輸出功率和變換效率，筆者將五個如圖6所示的單元電路相互并聯(lián)使用，如圖7所示，并取得表2所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖7

表2

　　從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：單元電路的并聯(lián)使用，可以提高整體電路的輸出功率。

　?。?）單元電路的串并聯(lián)

　　在前面的試驗(yàn)中雖然提高了整體電路的輸出功率，但由于受逆變電路升壓范圍的限制，電路并沒有達(dá)到用電設(shè)備所要求的輸出電壓值，筆者用40個單元電路并聯(lián)成一個整體電路，將這個整體電路再與一級相似的升壓電路串聯(lián)，連接的框圖如圖8所示，并得表3所示的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8

表3

　　從表3中所列數(shù)據(jù)可以看出，該串、并聯(lián)的整體電路已能將Ui的低電壓電源提升為高電壓大功率的輸出電源。該組數(shù)據(jù)為負(fù)載電阻RL=12Ω的條件下取得的，如果進(jìn)一步減輕其負(fù)載（增大電阻），該組電路可以達(dá)到在Ui（0.5～1.5V）的全輸入范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的輸出電壓(13.5V）。

3變換器在設(shè)計(jì)制造中的幾個關(guān)鍵點(diǎn)

　　該DC/DC變換器是用MAX1771控制器為核心器件設(shè)計(jì)制造的，因而其單元電路的可靠性是有保證的，但由于其輸入電壓Ui低于MAX1771的標(biāo)定工作范圍，雖然將MAX1771的V＋端接輔助電源以確保在任何Ui時都能使MAX1771內(nèi)部的逆變電路正常工作，可是由于其Ui實(shí)在太低，電路中任何一點(diǎn)的壓降都會極大地影響其變換效率。如選用導(dǎo)通電阻為0．05Ω的某一型號MOSFET開關(guān)管，若電感電流為2A，則在MOSFET管上的壓降就為0．1V，消耗掉輸入電源能量的20％（Ui為0．5V時）。單元電路的變換效

率、性能優(yōu)劣很大程度上都取決于電感及MOSFET管的選取。因而如何降低其直流通路的電阻便成為該單元電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。由于MAX1771的振蕩頻率最高可達(dá)300kHz，在印制板的設(shè)計(jì)中除考慮布線的電阻特性外，還應(yīng)充分考慮整體電路的高頻特性，這是該DC/DC變換器制造的又一關(guān)鍵點(diǎn)。由于其應(yīng)用范圍的特殊性，在成本允許的情況下，應(yīng)盡量在單元電路中采用多個MOSFET管并聯(lián)的辦法以提高單元電路的變換效率。同時全部元器件應(yīng)選用貼片件以提高電路的可靠性和降低整體電路尺寸。