超低输入电压DC-DC变换器的设计及应用

2021-11-25常伯仪

中国科技纵横 2021年18期

常伯仪

（天津力神特种电源科技股份公司，天津 300384）

0.引言

近年来，为了应对全球气候变化危机，联合国陆续达成了多项协议以应对气候变化进程。其中，《巴黎协定》提出,全球将尽快实现温室气体排放达峰，到21世纪下半叶实现全球净零排放。同时在今年“碳达峰、碳中和”被首次写入我们国家的政府工作报告中，未来绿色能源清洁能源将成为我们日常生活中主要的能量来源。在目前已知的新能源技术领域中，光伏发电、生物能发电、热电池、等占比相当可观，也成为主要的研究对象。这几种发电方式均存在单体输出电压较低，输出功率较小，输出能量无法连续的特点，需要通过阵列组合方式或外部电子升压电路配合才能实现足够的电压输出，并将输出的电能存储在外部电池中，实现电能利用的削峰填谷。在实际应用中，我们以生物燃料电池为例，其单体输出电压为0.3V～0.9V，输出电流1.5A左右。若将其产生的能量收集至锂电池中，需要DC-DC电路提供输出电压为3.6V～4.2V可调电压输出，并可以向电池负载提供最大100mA恒流输出，且效率高于60%。经多方调研，目前国内尚无满足此超低输入电压范围的恒流输出DC-DC升压解决方案[1]。

1.系统概述

经设计选型TPS61200 器件作为主控升压芯片，它可以为由单节、2节或3节碱性、镍镉或镍氢电池或单节锂离子或锂聚合物电池供电的产品提供电源解决方案。也能被应用在燃料电池或太阳能电池供电的设备中，在此类应用中处理极低的输入电压能力十分重要，其可能达到的输出电流取决于输入与输出电压比。在使用一个单节锂离子或锂聚合物电池并且将其放电至2.6V输入时，此器件在升搞电压至 5V输出时可以提供高达600mA的输出电流。此升压控制器基于一个固定频率、脉宽调制（PWM）控制器，同时使用同步整流来获得最大效率。在低负载电流情况下，此转换器进入省电模式以在宽负载电流范围内保持高效率。在没用进入低功耗模式时，可以让转换器运行在固定的开关频率下。平均输入电流被限制在1500mA的最大值上。通过一个外部电阻器分压器可对输出电压进行编程，或者在芯片上对输出电压进行内部固定从而获得固定或者可调的输出电压。转换器具有低功耗模式，进入该模式可以大大减少外部输入电池输出能量消耗，而且在关断期间，负载从电池上完全断开，与输入端实现完全隔离。此器件采用10引脚3mm×3mm VSON封装，其热阻抗系数为2.8℃/W，使得其在无外加散热片的应用中TJ温升极小，可满足小尺寸PCB的应用。

系统电路原理图如图1所示，TPS61200作为主控换能芯片，R1和R2作为输出电压设定电阻，调节所需的实际输出电压。D1输出保护二极管采用SM74611理想二极管，其输出正向压降仅为26mV@8A，在电路中防止外部电池电压高于输出电压时出现的电流倒灌情况。由基准电压源TL431和精密低功耗运算放大器组成了最大功率点跟踪电路（MPP），运算放大器主要用作比较器它将生物燃料电池的电压与参考电压进行比较。该参考电压由TLV431和通过更改电阻R4进行调整。也可以使用电位计代替电阻分压器能够根据不同的生物燃料电池类型和不同的条件调整电路。由于微生物营养条件与环境温度对电池的可用功率有很大影响，因此对优化后的MPP的电压值对电池工作状态有很大影响。在实际应用中，可以先用电位计找到特定生物燃料电池MPP的理想值后，再用固定电阻分压代替。当电压达到设定值时，外部MPP电路就使能主转换器开始工作，激活主开关立即增加从生物电池中获得的输入的电流，同时输出功率也大幅提升。当进入稳态工作时，输入电流与输出电流由输出分压器设置的转换比决定。如果需要降低输入电流，可以使用MPP电路通过向TPS61200的反馈电路注入电流，将设定输出电压降低到更低的值。随着转换器输出电压的降低，输入电流也随之降低。这会降低生物电池的电流，并降低由于生物电池输出电阻产生的电压降，使得其工作在最佳的功率点上[2]。