超低輸入電壓升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器

本文介紹TI公司在2007年3月推出的一款超低輸入電壓升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS61200系列。該系列在Ta=-40～+85℃工作溫度范圍內(nèi)，最低輸入電壓為0.3V；單個(gè)芯片就能組成升壓式電源，效率較高。該系列有三種型號(hào)，有輸出可設(shè)定及固定電壓輸出，如表1所示。

特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域

TPS61200系列的主要特點(diǎn)：效率高（在VIN≥1.2V、輸出3.3V、輸出電流600mA時(shí)，其效率可大于90%）；根據(jù)輸入電壓的大小能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成升壓模式或降壓模式；靜態(tài)電流小（小于55μA）；輸入電壓在0.5V時(shí)，在滿負(fù)載時(shí)也能啟動(dòng)工作；輸入工作電壓范圍寬，從 0.3～5.5V；輸入低電壓鎖存的電壓可設(shè)定；有輸出短路保護(hù)；有輸出電壓可設(shè)定及固定輸出的品種供用戶選擇（見表1）；在輸出功率較低時(shí)有節(jié)能模式，可提高效率；有可能強(qiáng)制按固定效率工作；在關(guān)閉電源時(shí)，負(fù)載與輸入端斷開；有過(guò)熱保護(hù)；工作溫度范圍-40～+85℃；小尺寸3mm×3mm QFN封裝。

TPS61200系列的主要應(yīng)用領(lǐng)域：可用于1～3節(jié)堿性電池，鎳鎘或鎳氫電池或1節(jié)鋰離子電池、鋰聚合電池或磷酸鐵鋰離子電池的電子產(chǎn)品；太陽(yáng)能電池及燃料電池供電的電子產(chǎn)品；太陽(yáng)能電池及燃料電池供電的電子產(chǎn)品；便攜式音頻播放器；PDA；手機(jī)；個(gè)人醫(yī)療電子產(chǎn)品（如血壓計(jì)）及驅(qū)動(dòng)白光LED等。

對(duì)使用一次堿性電池的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可以用到電池電壓降到0.5V，做到物盡其用的程度，提高了電池的使用壽命。

引腳排列與功能

TPS61200系列的引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表2所示。

圖1 TPS61200的引腳排列

主要技術(shù)參數(shù)

TPS61200系列主要極限參數(shù)：輸入電壓為-0.3～7V(包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO端)。建議工作條件：VIN=0.3～5V。

TPS61200系列主要電特性參數(shù)：可調(diào)輸出電壓為1.8～5.5V；固定3.3V輸出電壓允差±0.03V；固定5.0V輸出電壓允差 ±0.05V；內(nèi)部平均開關(guān)電流限制為1350mA；靜態(tài)電流典型值50μA；關(guān)閉狀態(tài)時(shí)耗電小于2μA；EN端低電平：VIN＜0.8V時(shí)為＜0.1VIN、VIN＞1.5V時(shí)為＜0.4V、0.8V≤VIN≤1.5V時(shí)為＜0.2VIN；EN高電平：VIN＜0.8V時(shí)為＞0.9VIN、 VIN＞1.5V時(shí)為＞1.2V、0.8≤VIN≤1.5V時(shí)為＞0.8VIN；PS輸入低電平＜0.4V、PS輸入高電平＞1.2V；開關(guān)管開關(guān)頻率 1250～1650kHz。

典型應(yīng)用電路

TPS61200的典型應(yīng)用電路如圖2所示，TPS61201、TPS61202的應(yīng)用電路如圖3所示。

圖2 TPS61200典型應(yīng)用電路

圖3 TPS61201、TPS61202的應(yīng)用電路

圖2是一種輸出電壓可設(shè)定的電路。輸出電壓VOUT與外接電阻分壓器R1、R2有關(guān)，如下式所示：

VOUT=V_FB（R1/R2＋1） （1）

式中，V_FB=500mV，R1可設(shè)為1mΩ，則可求出R2值。例如，要求VOUT=3.3V，代入上式可求出R2=178.57kΩ，可取標(biāo)準(zhǔn)電阻值180 kΩ。

在圖2中，EN端、PS端、UVLO端接VIN，這表示電源不采用EN端加低電平來(lái)關(guān)閉電源；PS端高電平表示在重負(fù)載條件下工作（此時(shí)振蕩器按固定頻率工作）；UVLO接VIN，表示在VIN＜250 mV時(shí)，使電源關(guān)閉，VOUT=0V，并鎖存；只有當(dāng)VIN＞350mV時(shí)電源才恢復(fù)工作。

在圖2中，VAUX接0.1μF接地，是為了穩(wěn)定地工作（工廠建議C3用等效串聯(lián)電阻小的多層淘洗電容器，容量為0.1μF）。此電容器在啟動(dòng)時(shí)向C3充電到一定值后，開關(guān)管才導(dǎo)通，它對(duì)開關(guān)管起緩沖作用。若輸出電壓VOUT＜2.5V時(shí)。C3值可采用1μF。

C1是輸入電容，其值最小是4.7μF，這里用10μF多層陶瓷電容器。C2是輸出電容，工廠建議采用下式選擇C2值：

C2=5L（μF/μH） （2）

若L=2.2μH，則C2可取10μF。C2也采用多層陶瓷電容。采用更大容量的C2可減小輸出紋波電壓、減小瞬態(tài)負(fù)載變化引起的輸出電壓跌落。

圖2中電感器L1值可用以下式來(lái)估算：

Lmin=VIN×0.5μs/A （3）

一般L1在1.5～4.7μH之間取值，在整個(gè)輸入電壓與輸出電壓范圍內(nèi)有較好的性能。

圖3是固定輸出電壓的應(yīng)用電路。圖中僅畫出FB與VOUT連接在一起，其他部分與圖2相中（在圖3中未畫出）。

如果輸入電壓的低壓鎖存電壓閾值要設(shè)定，則設(shè)定的低壓鎖存閾值電壓VINmin與外接電阻分壓器R3、R4有關(guān)，如下式（電路如圖4所示）：

圖4 TPS61200輸入電壓鎖存電路

V_INmin/（R3+R4）=V_UVLO/R4（4）

式中，V_UVLO=250mV。建議R4取250kΩ，則設(shè)定V_INmin值后可求出R3值。在VIN低于V_INmin時(shí)，輸出被關(guān)閉（VOUT=0V）。

例如，設(shè)V_INmin為1V，R4=250kΩ，V_UVLO=250mV，則可求得R3=750kΩ。

不同工作條件下的效率

TPS61201及TPS61202在不同工作條件下的效率不同，這里給出一些典型的特性曲線。圖5是TPS61202采用節(jié)能模式（PS 端接地）時(shí)，不同的輸入電壓及不同輸出電流時(shí)的效率曲線。圖6是同樣的TPS61202不采用節(jié)能模式（PS端接高電平）時(shí)的不同輸入電壓及不同輸出電流時(shí)的效率曲線。從圖5及圖6比較可知：在輸出電流IO=10mA時(shí)，輸入電壓從VIN為1.5～3V時(shí)，采用節(jié)能模式的效率要比不采用節(jié)能模式高得多，即在較輕負(fù)載的工作條件下，采用節(jié)能模式有較高的效率。例如，在VIN=2V，IO=10mA時(shí)，用節(jié)能模式的效率為78%，而不用節(jié)能模式時(shí)為5.3%。而在重負(fù)載時(shí)，如IO=500mA時(shí)，則用節(jié)能模式與不用節(jié)模式差別不大。

圖5 TPS61202在節(jié)能模式時(shí)的效率

圖6 TPS61202不采用節(jié)能模式時(shí)的效率

圖7、圖8是TPS61201采用節(jié)能模式及不采用節(jié)能模式時(shí)的效率曲線。從圖7及圖8比較可以看出：在IO=10mA時(shí)，在VIN從 1～2.5V這一范圍，采用節(jié)能模式提高了效率。例如，在VIN=2V時(shí)，圖7的效率約76%；而圖8的效率僅60%；在IO=100mA時(shí)，在VIN從 1～2.5V這一范圍，采用節(jié)能模式的效率比不采用節(jié)能模式的效率低。例如，IO=100mA，VIN=2V時(shí)，采用節(jié)能模式時(shí)，其效率約為76%；同樣條件采用不節(jié)能模式時(shí)其效率約88%。

圖7 TPS61201采用節(jié)能模式時(shí)的效率

圖8 TPS61201不采用節(jié)能模式時(shí)的效率

從上述情況看，只有在輕載時(shí)采用節(jié)能模式才能提高效率；在負(fù)載電流較大時(shí)，采用節(jié)能模式效果并不好。