如何設(shè)計升壓DC-DC Boost轉(zhuǎn)換器

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?zé)o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(fù)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(xué)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(dāng)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(fù)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(biāo)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(dǎo)軌之間的距離距離底部導(dǎo)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(biāo)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(dǎo)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(xué)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。