便携式XRF 能谱仪中锂离子电池恒压转换器的研究*

杨博赞，倪子月，王英倩

（1.钢研纳克检测技术股份有限公司，北京 100094；2.钢铁研究总院有限公司，北京 100083）

0 引言

X 射线荧光（X-Ray Fluorescence,XRF）是由物质中的组成元素受激产生的特征辐射。X 射线荧光光谱仪通过测量和分析样品产生的X 射线荧光，即可获知样品中的元素组成，得到物质成分的定性和定量信息[1]。随着现代电子技术的发展，仪器功能模块有高度集成化的趋势，且采用小功率X 光管，减少水冷系统，可以大大减小仪器体积。用于现场分析的小型便携式XRF 能谱仪成为研究热点[2]。

锂离子电池是当前综合性较强的电池体系，具备体积小、高比能量、无记忆效应、质量轻、无污染及高循环寿命等优势，在电子设备、电动汽车与储能设备等领域得到广泛应用与普及[3]。我司研制的便携式XRF 能谱仪即采用了松下NCR18650BD 锂离子电池作为设备电源电芯。锂离子电池放电时，其工作电压随着时间的延续而不断发生变化，对XRF 能谱仪检测结果的精度和稳定性产生负面影响。

在锂离子电池输出端，采用高性能Buck-Boost 拓扑结构芯片LTC3789 设计恒压转换器，实现对便携式XRF能谱仪恒压供电。

1 设计方案

便携式XRF 能谱仪额定电压24 V，最大输出功率60 W；锂离子电池组输出电压范围为15 V～25.2 V，最大输出电流为5 A。恒压转换器应实现宽幅输入电压情况下的恒压输出。

1.1 工作原理

LTC3789 是一款高性能、降压-升压型开关稳压控制器，可以在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下运作。凭借4 V 至38 V（最大值为40 V）的宽输入和输出范围以及工作区之间的无缝和低噪声转换，LTC3789 成为了汽车、电信和电池供电型系统的理想选择[4]。LTC3789 应用电路采用一个电感和四个N 沟道MOSFET 构成基本的Buck-Boost 拓扑结构，其示意图如图1 所示。

图1 四开关Buck-Boost 拓扑结构图

根据拓扑结构，可知：

式中，Vout是电路输出电压，Vin是电路输入电压，D1是TG1信号占空比，D2是BG2信号占空比。

LTC3789 采用分压电阻监视Vout，通过三模式控制方式调节D1、D2维持输出电压Vout的恒定。

当Vin＜91.67%Vout时，电路工作在Boost模式。LTC3789 会保持Q1闭合，Q2断开，即D1=1，仅通过调节D2维持输出电压Vout的恒定。

当Vin＞109.09%Vout时，电路工作在Buck 模式。LTC3789 会保持Q3断开，Q4闭合，即D2=0，仅通过调节D1维持输出电压Vout的恒定。

当Vin介于两者之间时，电路工作在Buck-Boost 模式。LTC3789 会采取Q1、Q3同时闭合或断开的方式，降低开关切换频率，维持输出电压Vout的稳定[5]。

1.2 电路原理图

恒压转换器电路原理图主体结构如图2 所示。

图2 恒压转换器电路原理图（主体部分）

图中右侧为四开关Buck-Boost 拓扑结构，R4与R5组成输出反馈电路，输出电压Vout由式(2)计算:

左侧为恒压转换器配置电路。MODE/PLLIN 引脚连接INTVCC，设置轻载时控制器采用跳脉冲模式（Pulse-skipping mode,PSM）。R1与R2组成串联分压电路，为RUN 引脚提供不小于1.22 V 模拟电压,使能LTC3789 内部LDO。SS 引脚通过电容C1接地，为控制器提供软启动功能，引导输出电压逐渐升高至设定值。恒压转换器通过FREQ 引脚电压配置工作频率:

当R3=200 kΩ 时，恒压转换器工作频率约为600 kHz。

1.3 电感选型

恒压转换器的电感与工作频率有关，较高的工作频率可以选择较小的电感和电容。电感的值与输出电流的纹波有直接关系，较大的电感有助于抑制电流纹波。电感值可由式（4）、式（5）推算:

式中，f为工作频率，ΔiL%为电感电流波动的百分比，通常介于20～40 之间，所选电感值应同时满足以上两公式要求。

1.4 电流监测

恒压转换器工作时采用电流敏感电阻对电感电流和输出负载电流进行监测。电路图如图3 和图4 所示。

图3 电感电流监测电路

图4 输出电流监测电路

图3 中，VITH为输出反馈电压与内部参考电压的误差放大信号，当R6上的电压值接近VITH，LTC3789 改变开关状态。R6的值（单位为mΩ）与恒压转换器设置的最大输出电流有关，如式（6）、式（7）所示。

图4 中，ILIM 引脚悬空，设置电流敏感电阻R12电压阈值为100 mV，恒压转换器输出最大电流为3 A，因此：

1.5 PCB 设计

恒压转换器PCB 的设计对于抑制电源纹波和电磁干扰非常关键。纹波太大或电磁干扰会影响其他器件的正常工作。因此，合理地进行PCB 设计和布局非常重要[6]。

恒压转换器设计时应按信号噪声大小分区布线，四开关Buck-Boost 拓扑结构应布置LTC3789 的远端。PCB 设计时应保证整个地平面完整，尽可能增大地层面积，缩短信号对地回路，减小纹波和电磁干扰。恒压转换器输入输出电流大，工作频率高，PCB 设计时应考虑电路散热情况，应保证LTC3789 散热片与地保持良好接触，铜层厚度可增加至70 μm。恒压转换器PCB 设计图纸如图5、图6 所示。

图5 恒压转换器PCB 设计图（顶视图）

图6 恒压转换器PCB 设计图（底视图）

为节约成本，电路板采用双层板结构，顶层布置元件，底层设计为地平面。信号地与电源地通过单点连接。

2 实验测试

2.1 功能实验

使用锂离子电池组通过恒压转换器为便携式XRF能谱仪供电，使用示波器观察满电量和接近亏电状态下，恒压转换器的工作情况结果如图7 所示。

图7 恒压转换器工作波形图

由图7 可以看出，当Vin=15.0 V 时，转换器工作在Boost 模式；当Vin=25.2 V 时，转换器工作在Buck-Boost模式。输出电压为23.82 V，工作频率为600.8 kHz。当控制信号切换时，输出电压中有明显的毛刺噪声。

2.2 效率实验

分别在便携式XRF 能谱仪正常测试时和待机工作时调节输入电压，对恒压转换器的转换效率进行测量，结果如表1 所示。为操作方便，这里采用可调直流电源模拟锂离子电池。

表1 恒压转换器转换效率测试

恒压转换器在低压正常工作模式时，转换效率较低，为86.4%；其他条件下能够保持约90%左右，转换效率优于市场采购同类产品，处于较高水平。对比同类设计文献[7]，恒压转换器效率仍存在优化空间。

3 结论

通过以上设计及实验论证，设计的恒压转换器满足便携式XRF 能谱仪的使用要求，解决了锂离子电池放电过程中电压衰减的问题，转换效率优于市场采购同类产品，且仍有优化空间。