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如何設(shè)計升壓DC-DC Boost轉(zhuǎn)換器

454398 ? 來源:wv ? 2019-10-24 16:06 ? 次閱讀

步驟1:簡介

袖珍升壓轉(zhuǎn)換器是一個DC-DC Boost轉(zhuǎn)換器,可從單節(jié)堿性電池產(chǎn)生5 V或3.3 V的電源電壓。使用1xAA電池時,輸出電流可以高達75 mA(保持3.3 V輸出),并一直放電至0.9 V。

袖珍升壓轉(zhuǎn)換器利用了德州儀器TI)的TPS61070。它的典型啟動電壓指定為1.1 V(最壞情況下的啟動電壓為1.2 V)(因為幾乎空的堿性電池的開路電池電壓約為1.1 V)。但是,一旦啟動,它就可以在《0.9 V的電壓下工作。輸出電壓由外部電阻反饋分壓器編程。如果采用袋裝升壓轉(zhuǎn)換器,則使用兩個不同的外部電阻器網(wǎng)絡(luò),以便在5 V至3.3 V之間進行選擇。

在低負載電流下,TPS61070進入節(jié)能模式以保持低功耗。在較寬的負載電流范圍內(nèi)具有很高的效率。另外,為防止轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障,如果電源電壓低于0.8 V(單個AA電池無法實現(xiàn)),則欠壓鎖定功能會關(guān)閉設(shè)備。

TPS61070在大多數(shù)單電池升壓應(yīng)用。盡管在某些情況下,放電的電池端子電壓可能會低于設(shè)備的啟動電壓,但一旦斷開負載,電池電壓便很容易恢復到1.1 V以上。因此,即使在這些端電壓下電池能量最小時,TPS61070也不會有再次啟動的麻煩。

無論電池化學性質(zhì)如何,堿性,鎳鎘(NiCd)或鎳氫金屬(NiMH) ),實際應(yīng)用中的電池放電表現(xiàn)出恒定的功率放電而不是恒定的電流放電。當接近放電即將結(jié)束時,這會縮短電池在較低電壓下的壽命,從而進一步降低電池電壓(在恒定功率放電期間,放電電流會隨著端子電壓的降低而增加,以向負載提供相同的功率)。但是,一旦斷開負載或關(guān)閉設(shè)備,電池電壓就會恢復到更高的電壓(通常高于1.1 V)。

步驟2:技術(shù)規(guī)范

最小啟動電壓-1.2 V(一旦啟動,它可能會在0.9 V下運行)

啟動所需的預(yù)充電電流-30 mA @ 1.2 V至135 mA @ 5V

靜態(tài)電流-19 μA(典型值)

支持0.9 V至4.5 V的輸入電壓-(例如,一節(jié),兩節(jié)或三節(jié)堿性,NiCd或NiMH,或單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池)

輸出電壓:3.3 V或5 V(+/- 1%)-由電壓選擇開關(guān)選擇

1xAA堿性電池的輸出-3.3 V @ 75 mA(典型值)或,1x鋰離子電池的輸出或3.3V電源-5 V @ 200 mA(典型值)

輸出電壓紋波:10 mV Vpp (理論值)。有關(guān)測試值,請參見“測試”部分

開關(guān)電流:600 mA(典型值)

開關(guān)頻率:1.2 MHz(典型值)

功能:

90%效率

省電模式可在低輸出功率時提高效率

關(guān)機期間斷開負載

過熱保護

步驟3:設(shè)計電路

研究了TPS61070數(shù)據(jù)表的設(shè)計指南和示例之后,進行了以下原理圖設(shè)計創(chuàng)建。添加了一個JST連接器以適應(yīng)不同類型的輸入,還添加了一個電壓選擇開關(guān)(可在5 V和3.3 V之間切換)和2x2公頭連接器,以與BreadBoard接口。 TPS61070 IC的使能引腳已連接到輸入電壓,以始終保持ON配置。 [可在GitHub上找到示意圖]

步驟4:電路板設(shè)計

一旦原理圖設(shè)計完成,就該設(shè)計電路板了。在布置董事會時需要耐心和創(chuàng)造性的思考。在決定最佳設(shè)計之前,準備好進行多次迭代。這是設(shè)計Pocket Step-Up Converter時遵循的設(shè)計過程示例。 [Board Design文件可在GitHub上獲得。

a。)BreadBoard兼容性-決定Pocket Step-Up Converter應(yīng)該與標準BreadBoard的Power Rails匹配。需要進行仔細的測量,以使割臺能夠緊貼面包板中。幸運的是,可以從我們的BreadBoard電源-完全組裝中獲得尺寸。這些電源導軌之間的距離距離底部導軌的原點為41.34 mm,或者為1650 mils(在EAGLE術(shù)語中)

b。)反向安裝LED-由于整個板將面朝下使用,因此只有電池架可見在上面;無法確保電路已接通電源或不供電。因此,決定使用反向安裝LED,使其通過電路板頂部一側(cè)的孔發(fā)光。反向安裝LED可能會穿過單節(jié)電池座的兩個安裝孔發(fā)光。另外,還有一個跳線(SJ1)用于啟用/禁用此LED。因此,可以進一步降低電流消耗。

c。)JST連接器-這已成為將LiPo電池連接到板上的標準。因此,決定使用此連接器。我們知道該JST連接器也可以用于SparkFun的2xAA電池座。這兩個輸入都可以為您的大電流項目提供足夠的輸出電流(驅(qū)動電機仍在很遠的地方)。設(shè)計團隊添加了JST連接器的兩個變體-通孔版本和SMD版本。它使我們減少了對單個組件的依賴,此外,通孔還可以容納從兼容輸入直接焊接到板上的電線。

板載JST連接器可提供其他輸入源,例如2xAA電池座,單節(jié)鋰聚合物電池(典型3.7 V)

d。)布局注意事項-選擇了雙層配置。輸入電容器,輸出電容器和電感器應(yīng)盡可能靠近IC放置。如下圖所示,超寬和短走線用于主電流路徑和接地走線,以控制穩(wěn)定性和EMI問題。這些大的銅焊盤還可以通過改善印刷電路板的功耗來增強散熱性能。

步驟5:計算

以下是升壓轉(zhuǎn)換器的基本配置,其中開關(guān)集成在所使用的IC(此處為TPS61070)中。

在TPS61070中,二極管被低Rds( on)集成到轉(zhuǎn)換器中的PMOS開關(guān)。因此,可以忽略二極管的計算。

計算功率級需要以下參數(shù):

i。)最小輸入電壓Vin(min)-0.9 V

ii。)期望的輸出電壓,Vout = 5 V

iii。)最大輸出電流,Iout(max)= 100 mA,(期望)

a。)計算占空比

我們首先計算最小輸入電壓為0.9 V的占空比D。

D = 1-[{Vin(min)*η}/{Vout}]

其中,D =占空比

Vin(min)=最小輸入電壓(這將導致最大開關(guān)電流)

Vout =所需的輸出電壓

η=轉(zhuǎn)換器的效率。對于TPS61070,η= 90%。

因此,

D = 1-[{0.9 V * 0.9}/{5 V}

D = 0.838

上面的圖片中有所有帶詳細說明的公式,因為編輯器不允許使用數(shù)學公式。

步驟6:測試

已進行以下測試:

(i。)從單個堿性電池(Duracell?)施加輸入電壓= 1.491 V。

(ii。)選擇負載為200Ω,1/4瓦電阻(串聯(lián)2x100Ω電阻)。

(iii。)通過電壓選擇開關(guān)選擇3.3 V,并在200Ω負載上進行測量,得出輸出電流為16.40 mA。

(iv。)在各個100Ω電阻上進行的測量得出輸出電流分別為16.35 mA和16.44 mA。

(v。)因此,輸出功率= 3.280 V * 16.4 mA = 53.792 mW

紋波電壓(Vpp)計算:

空載時3.3 V = 50 mV

100Ω負載時為3.3 V = 68 mV

無負載時5 V = 150 mV

100Ω負載時為5 V = 168 mV

施加100Ω負載電阻,我們得到:

在3.3 V時的輸出電流= 30.10 mA,

并且在5 V時的輸出電流= 46.40 mA

第7步:應(yīng)用程序

袖珍升壓轉(zhuǎn)換器可用作便攜式電源,用于為大多數(shù)涉及微控制器傳感器等的項目供電。但是,要提供必要的電流來驅(qū)動高扭矩直流電動機或伺服電動機。

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