如何使用 1.2A 96% 效率的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，使用單個電池驅(qū)動 5V 負載

時間：2024-07-16 21:02:10

關(guān)鍵字： DCDC 鋰離子電池

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[導讀]單節(jié)電池(如鋰離子/聚合物)的額定電壓低于 5V，不適合 5V 邏輯應(yīng)用(如為 Arduino 板供電)。此外，電池電壓會隨著使用時間的推移而下降。第一個解決方案可能是使用簡單的 LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)或降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。使用 LDO 的問題在于 LDO 適合將電壓調(diào)節(jié)到低于電池電壓的水平(如 3.3V)。同樣，降壓轉(zhuǎn)換器適合構(gòu)建較低的電壓。解決方案似乎是使用 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，但是，當輸入和輸出電壓差較小且電流處理、電路板尺寸和效率很重要時，簡單的升壓轉(zhuǎn)換器無法解決問題。

單節(jié)電池(如鋰離子/聚合物)的額定電壓低于 5V，不適合 5V 邏輯應(yīng)用(如為 Arduino 板供電)。此外，電池電壓會隨著使用時間的推移而下降。第一個解決方案可能是使用簡單的 LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)或降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。使用 LDO 的問題在于 LDO 適合將電壓調(diào)節(jié)到低于電池電壓的水平(如 3.3V)。同樣，降壓轉(zhuǎn)換器適合構(gòu)建較低的電壓。解決方案似乎是使用 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，但是，當輸入和輸出電壓差較小且電流處理、電路板尺寸和效率很重要時，簡單的升壓轉(zhuǎn)換器無法解決問題。

元件制造商試圖通過引入專門為此類應(yīng)用而設(shè)計的元件來解決此問題。我在下文中使用了一個微型 SOT23-6 MP3120 芯片來設(shè)計一個 0.8V-5V 至 5V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率固定為 1.1MHz，因此應(yīng)遵循幾個設(shè)計要求以保證電路穩(wěn)定運行。該芯片的效率高達 96%，對于如此高的開關(guān)頻率來說，這是一個有趣的數(shù)字。

電路分析

圖 1 顯示了該設(shè)備的原理圖。很明顯，電路的核心是 MP3120 芯片，有趣的是，它可以承受 5V 的輸入電壓，輸出也是 5V。該芯片不需要任何外部肖特基二極管，從而降低了 PCB 布局的復雜性。

圖 1：MP3120 DC-DC 轉(zhuǎn)換器原理圖

根據(jù) MP3120 1的數(shù)據(jù)表: “MP3120 是一款高效同步、電流模式升壓轉(zhuǎn)換器。該設(shè)備可以將單節(jié)或兩節(jié) AA 電池升壓至 5V。MP3120 可以從低至 0.8V 的輸入電壓啟動，并提供浪涌電流限制以及輸出短路保護。集成的 P 溝道同步整流器開關(guān)可提高效率，并且無需外部肖特基二極管。當 EN 為低時，P-MOS 將斷開輸出與輸入的連接。此輸出斷開功能允許輸出完全放電，從而使部件在關(guān)斷模式下吸收不到 1uA 的關(guān)斷電流。1.1MHz 開關(guān)頻率允許使用更小的外部元件;內(nèi)部補償和軟啟動最大限度地減少了外部元件數(shù)量;所有這些都有助于為各種負載電流提供緊湊的解決方案。

MP3120 具有集成功率 MOSFET，支持高達 5V 的輸出和典型的 1.2A 開關(guān)電流。即使輸入電壓高于輸出電壓，該設(shè)備也可以保持輸出電壓穩(wěn)定?！?

制造商已計算并發(fā)布了 3.3V 輸出電壓的效率圖表(圖 2)。當輸入電壓為 3V(紅色曲線)且輸出電流約為 500mA 時，芯片的性能最佳。當然，在最大輸出電流附近，效率會下降。當輸入電壓高于輸出時，記錄到的性能最差，這證實了該芯片是為高效升壓電池而設(shè)計的，而不是降壓轉(zhuǎn)換器。

圖2：MP3120的效率圖(輸出：3.3V)

C2 和 C3 是旁路電容，用于降低輸入噪聲并穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器。R1 和 C1 構(gòu)建 RC 緩沖電壓，以保護 IC1 的內(nèi)部 MOSFET。C4、C5 和 C5 是輸出電容，用于降低噪聲并穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器。C4 應(yīng)盡可能靠近芯片放置。R3 和 R5 以及反饋電阻。D1 是 0805 LED，用于指示輸出端是否存在正確的電壓。

PCB 布局

圖 3 顯示了設(shè)計的 PCB 布局。這是一塊雙層 PCB 板。我將 PCB 的底層接地。頂層的某些部分也被接地層覆蓋。重要的 PCB 網(wǎng)絡(luò)(尤其是承載大電流或連接長度應(yīng)最短的網(wǎng)絡(luò))已使用銅層而不是 PCB 軌道進行連接。這種技術(shù)使開關(guān)電流更容易流動，從而降低了 EMI 和輸出噪聲。

圖 3：MP3120 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局

我在關(guān)鍵區(qū)域(例如電容器的接地引腳)放置了一些 VIA，以減少接地路徑的長度并最大限度地降低噪聲/增強穩(wěn)定性。電感器應(yīng)盡可能靠近 VC 引腳放置，輸出電容器應(yīng)盡可能靠近 OUT 引腳放置(尤其是 C4)。輸入和輸出端子應(yīng)放置在 PCB 板的同一邊緣，正如我在本設(shè)計中遵循的那樣。您只需將 2 針 2.5 毫米公頭焊接到輸入端，將相同的接頭焊接到輸出端。

圖 4 顯示了 PCB 板的 3D 視圖。如果您有計劃自己構(gòu)建一個，可以從參考資料部分的此鏈接2下載 Gerber 和 NCDrill 文件。圖 5 顯示了設(shè)備的接線圖。