用MAX1771開發的一種低壓大電流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，開發過程中的幾個關鍵問題和一部分試驗數據。

關鍵詞：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

　　在許多應用場合，都需要將低電壓升至適合用電設備使用的較高電壓。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等標準電壓，而且要求DC/DC變換器的輸出功率在12W以上。因而有必要開發出一種低電壓、大電流DC/DC升壓變換器。

　　筆者應客戶要求，設計一種供“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，該控制器采用獨特的控制方案，結合PFM（脈沖頻率調制）及PWM（脈沖寬度調制）的優越性，提供一個高效、較寬電壓調節范圍的電源。前者具有較小的靜態電流，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PFM的低靜態電流，同時在較重負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：柵極驅動，接N溝道功率管。

　　2腳V＋：電源電壓輸入端，（正端）。

　　3腳FB：調節輸出電壓信號的反饋輸入，接地為固定輸出電壓，接電阻分壓器調節輸出電壓。

　　4腳SHDN：關斷模式的關斷輸入，接地為正常操作。

　　5腳REF：對于外接負載是100μA的1．5V參考電壓輸出。

　　6腳AGND：模擬信號地。

　　7腳GND：從輸出驅動器返回的大電流地。

　　8腳CS：該點電位傳送到內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：

　　(2)單元電路簡介

　　圖3為MAX1771應用的典型電路，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

　　①單元電路的升壓范圍

　　升壓型DC/DC變換器的電路結構如圖5所示，開關S導通時電池給電感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和負載RL。周期性的開關操作使電池能量源源不斷地送入負載，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。

　　②單元電路的最大獲取功率

　　由于MAX1771的應用電路中只需少量外圍元件，所以在決定應用電路的最大輸出電流、系統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盡量選取磁飽和電流大的高性能磁心材料。在本電路的設計中，首先應選擇足夠小的電感（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，該變換器中開關管的管壓降是電路損耗的主要原因，為了盡量減小開關管的管壓降，提高其變換效率，除選用導通電阻盡可能小的開關管外，還采用多個開關管并聯的辦法進一步降低導通電阻。

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

圖6

表1

　　由于Ui實在太低，使電路表現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

　　（1）單元電路的并聯

　　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使用，如圖7所示，并取得表2所示的試驗數據。

圖7

表2

　　從以上試驗數據可以看出：單元電路的并聯使用，可以提高整體電路的輸出功率。

　　（2）單元電路的串并聯

　　在前面的試驗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，電路并沒有達到用電設備所要求的輸出電壓值，筆者用40個單元電路并聯成一個整體電路，將這個整體電路再與一級相似的升壓電路串聯，連接的框圖如圖8所示，并得表3所示的一組試驗數據。

圖8

表3

　　從表3中所列數據可以看出，該串、并聯的整體電路已能將Ui的低電壓電源提升為高電壓大功率的輸出電源。該組數據為負載電阻RL=12Ω的條件下取得的，如果進一步減輕其負載（增大電阻），該組電路可以達到在Ui（0.5～1.5V）的全輸入范圍內獲得穩定的輸出電壓(13.5V）。

3變換器在設計制造中的幾個關鍵點

　　該DC/DC變換器是用MAX1771控制器為核心器件設計制造的，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內部的逆變電路正常工作，可是由于其Ui實在太低，電路中任何一點的壓降都會極大地影響其變換效率。如選用導通電阻為0．05Ω的某一型號MOSFET開關管，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計的關鍵點。由于MAX1771的振蕩頻率最高可達300kHz，在印制板的設計中除考慮布線的電阻特性外，還應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鍵點。由于其應用范圍的特殊性，在成本允許的情況下，應盡量在單元電路中采用多個MOSFET管并聯的辦法以提高單元電路的變換效率。同時全部元器件應選用貼片件以提高電路的可靠性和降低整體電路尺寸。