將 AA 電池的供電電壓提升至 5V

 

單節(jié) AA 電池是一種極為方便的電源，適用于便攜式低功率應(yīng)用。典型 AA 電池提供 2 安培小時(shí)容量，可以提供超過(guò) 2A 的峰值供電電流。電池在充滿電時(shí)通常能提供 1.5V，在放電時(shí)能提供 0.9V。這個(gè)數(shù)值不包括內(nèi)部電阻壓降，壓降范圍在 100mΩ 和 120mΩ 之間。要將該電壓范圍轉(zhuǎn)換為 3.3V 或 5V 穩(wěn)定電壓，可以使用多款用于啟動(dòng)和采用低輸入電壓工作的 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)完成。這些設(shè)備采用同步開(kāi)關(guān)管，所以下管能夠啟動(dòng)電感。然后，由上管將存儲(chǔ)的電能傳輸至輸出電容和負(fù)載。

 

MP3414 是一個(gè) AA 升壓轉(zhuǎn)換器示例，它具有一個(gè) 1.5A 下管，可以利用最低 0.9V 電池輸入升壓實(shí)現(xiàn) 3.3V 輸出和 400mA 負(fù)載。圖 1 所示為 MP3414 電路。同步上管取代了電路中的分立式二極管，并在短路和故障情況下提供限流和輸入/輸出隔離。 

 

圖 1：同步升壓轉(zhuǎn)換器電路圖

 

雖然 MP3414 是適合單節(jié) AA 或 3.3V 電壓不錯(cuò)的解決方案，但其最大輸出電壓限制為 4.0V，開(kāi)關(guān)電流限制（1.5A）則低于電池可以提供的最大電流。

 

對(duì)于輸出電壓和負(fù)載更高的應(yīng)用，可以使用多種具備更高的最大電流和電壓規(guī)格的升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，雖然這些轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍可能受到限制。例如，MP3424 具備最高 9.5A 的開(kāi)關(guān)管電流和 5.5V 輸出電壓，以及最低 2.0V 的上電電壓和最低 1.6V 的工作電壓。根據(jù)這些規(guī)格，可以看出 MP3424 可能不太適合單節(jié) AA 電池應(yīng)用；但是，通過(guò)使用特殊的電路技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們可以獲取一種有用的解決方案。

 

更高功率的 AA 升壓電路

 

升壓轉(zhuǎn)換器電路使得開(kāi)關(guān)電源路徑可以和輸入偏置相互分離，并且采用低功率輔助電源實(shí)現(xiàn)大電流升壓設(shè)計(jì)。圖 2 所示為 MP3424, 其電路將開(kāi)關(guān)電流路徑和輸入偏置分離開(kāi)來(lái)。 

 

圖 2：?jiǎn)喂?jié)電池、大電流升壓轉(zhuǎn)換器

 

MP3424 輸入和使能引腳僅消耗極少量電流，如果在啟動(dòng)之后，輸出被調(diào)節(jié)至高于 3V，那么設(shè)備會(huì)與輸出偏置。這意味著，偏置次級(jí)電源可能是一個(gè)小型 3V 鋰電池，是一個(gè)次級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，或者是使用 AA 電池的充電泵設(shè)備。

 

MP3424 的最大開(kāi)關(guān)電流限值為 9.5A，但包含一個(gè)電流檢測(cè)電路，可以產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的最大輸出電流。AA 電池的內(nèi)部電阻將峰值電流限制為最大約 3A，在輸入為 0.9V 時(shí)為約 2A（在實(shí)際輸入為 0.7V 時(shí)，ESR 損失為 0.1Ω x 2A = 0.2V）。RSENSE 可使用公式（1）計(jì)算得出：

 

IOCL=VOCL/RSENSE

 

其中IOCL 是輸出恒定電流限值VOCL = 30mV. 

 

電流限值為 400mA 時(shí)，, RSENSE為0.075Ω. 當(dāng)設(shè)備負(fù)載增大到電流限值時(shí)，峰值開(kāi)關(guān)電流受到限制，以支持該電流（在輸出為 5V 時(shí)約為 3A）。因此，輸出電壓開(kāi)始下降。輸出電壓保持為較低的恒定電壓，AA 電池則保持安全的峰值電流。如果負(fù)載增加，輸出最后會(huì)降低至低于輸入，上管 MOSFET 會(huì)將電流導(dǎo)入負(fù)載。如果 VOUT 降至預(yù)期輸出的 50% 以下，設(shè)備會(huì)進(jìn)入短路限制和關(guān)斷狀態(tài)，并每隔 40µs 重試一次。

 

出色的便攜式脈沖電源

 

在滿足便攜式設(shè)備對(duì)間歇脈沖峰值功率的需求時(shí)，恒定電流功能非常有用。許多應(yīng)用需要傳感器、處理器和存儲(chǔ)器短時(shí)運(yùn)行，然后關(guān)斷，并重復(fù)這種操作。這種過(guò)程可能隨處進(jìn)行重復(fù)，頻率從幾百次/秒到僅僅一次/秒。因?yàn)樗韫β士赡艹^(guò)單節(jié) AA 電池的峰值容量，另一種解決方案是增高至更高電壓，然后在兩次突發(fā)之間將電荷存儲(chǔ)在電容中。如此，電容可以在突發(fā)期間放電，然后再重新充電。 

 

圖 3 所示為一個(gè)峰值脈沖供電系統(tǒng)示例應(yīng)用。 

 

圖 3：峰值脈沖供電系統(tǒng)

 

圖 3 所示為一個(gè)峰值脈沖供電系統(tǒng)示例應(yīng)用。

 

在此應(yīng)用中，負(fù)載為 5W，恒定保持 100µs（例如 IR LED），初始電壓為 5V，按 1.0ms 為間隔重復(fù)。MP3424 對(duì)一節(jié) AA 電池進(jìn)行升壓，采用 1.5µH 電感，以及一個(gè) 220µF 電解輸出存儲(chǔ)電容。開(kāi)關(guān)頻率固定為 580kHz，輸出電流限值設(shè)置為 0.3A 恒定值，以為輸出電容充電。采用放電電容電源提供恒定 5W，并得出一條放電曲線（參見(jiàn)圖 4）。該模擬曲線中包含電容的 30mΩ 串行電阻。 

 

圖 4：放電曲線

 

注意，MP3424 可以在放電期間升壓，但在本例中，MP3424 被禁用，負(fù)載電流由電容單獨(dú)提供。由于輸出功率是恒定的，且負(fù)載源極電壓下降，所以電流提供的電源會(huì)隨時(shí)間增加。放電之后，電容的電壓約為 4.5V。

 

電容通過(guò)啟用 MP3424（具備 300mA 恒定電流輸出）來(lái)充電。使用 dt = C x dV / I，可以計(jì)算得出充電時(shí)間為（220e - 6 x 0.5）/ 0.3 = 367µs，如此，可以在 1ms 周期時(shí)間內(nèi)讓電容重新達(dá)到 5V，且還具有多余時(shí)間。當(dāng)輸出電壓達(dá)到 5.0V 時(shí)，MP3424 切換到低負(fù)載電流跳頻（PFM）模式，幫助降低電池消耗。MP3424 的電流控制使電池在充電周期內(nèi)的峰值電流保持在 1.5A 左右，可以防止 ESR 導(dǎo)致電池電壓過(guò)度下降。

 

給超級(jí)電容充電

 

另一個(gè)高峰值電流應(yīng)用要求在兩次放電之間保持長(zhǎng)時(shí)間充電，以免造成電池消耗。這種特殊應(yīng)用要求功率恒定為 2.0W，放電時(shí)間為 500ms，并在首次放電之后進(jìn)行時(shí)長(zhǎng) 2 秒的二次放電。之后，該系統(tǒng)可以閑置一個(gè)月。圖 2 中同樣的 MP3424 電路的輸出為 5V 時(shí)，可以與 0.5F 超級(jí)電容（SC）配對(duì)，獲得更長(zhǎng)的放電時(shí)間。超級(jí)電容擁有更高的 ESR（約為 0.4Ω），所以降壓穩(wěn)壓器的輸入端存在壓降。在放電期間，此壓降約為 0.25V。截止電壓為約 4.1V，在 1 秒充電時(shí)間內(nèi)存在 300mA 恒定電流。放電時(shí)間和充電時(shí)間為 1.5 秒時(shí)，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn) 2 秒周期時(shí)間的條件。

 

由于 MP3424 的輸出和檢測(cè)引腳存在泄漏，所以在設(shè)備被禁用（以保護(hù)電池）時(shí)，超級(jí)電容會(huì)在一個(gè)月內(nèi)保持非活動(dòng)放電。對(duì)于這種應(yīng)用，輸出 P 通道開(kāi)關(guān)管會(huì)將 SC 和升壓電路隔離開(kāi)來(lái)，并由微控制器用來(lái)啟動(dòng)放電/充電周期的使能信號(hào)來(lái)實(shí)施控制。單個(gè)封裝中的 N 通道和 P 通道組合通過(guò)使能高信號(hào)來(lái)實(shí)施開(kāi)關(guān)，將超級(jí)電容的關(guān)斷泄漏降低至低于 50nA。圖 5 顯示了整個(gè)電路。 

 

圖 5：超級(jí)電容為電路充電，以實(shí)現(xiàn)峰值脈沖功率

 

結(jié)論

 

對(duì)于電源功率有限的應(yīng)用，例如低壓電池，在升壓 DC/DC 調(diào)節(jié)器中采用可編程恒定電流模式非常有用。使用升壓轉(zhuǎn)換器上的開(kāi)關(guān)引腳提供單獨(dú)的電源輸入，同時(shí)采用小型輔助電源偏置該設(shè)備，以發(fā)揮電池電源的所有潛在功率。

 

 

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