摘要：介绍一种低电压、大电流DC/DC升压器的工作原理及特性，开发过程中的几个关键问题和一部分试验数据。
关键词：DC/DC升压器海水电池单元电路
e Low－ voltage and Heavy－ current DC/DC Step－ up Converter
Developed Using MAX1771
Abstract:The paper introduces the operating principle and performance of a low－ voltage and heavy－ current DC/DC conversion,some techincal problems and some test data in developing period
Keywords:DC/DC step－ up converter Sea－ water power Unit circuit
1引言
在许多应用场合，都需要将低电压升至适合用电设备使用的较高电压。如太阳能电池供电电路，常需要将其0.8～1.4V的低电压升至可供使用的5V,甚至更高的电压。再如一种供海上设备使用的电源，铝—空气海水特种电池，其端电压为0.5～1.5V,必须将这么低的电压升至可供使用的6V、12V或24V等标准电压，而且要求DC/DC变换器的输出功率在12W以上。因而有必要开发出一种低电压、大电流DC/DC升压变换器。
笔者应客户要求，设计一种供“铝－空气海水电池”所使用的特殊DC/DC变换器，其框图如图1示。
图1
该DC/DC变换器，在主逆变电路中利用高效开关器件MOSFET及高性能IC控制器，并利用蓄电池电压作为辅助电源，确保了海水电池端电压低至0．5V时，变换器仍能正常工作。
2工作原理
2．1单元电路
（1）MAX1771控制芯片简介
MAX1771采用BiCOMOS工艺制造，该控制器采用独特的控制方案，结合PFM（脉冲频率调制）及PWM（脉冲宽度调制）的优越性，提供一个高效、较宽电压调节范围的电源。前者具有较小的静态电流，轻载情况下效率较高，但纹波较大。后者在重载情况下具有较高的效率，噪声小。该控制器采用的是一种改进型的限流PFM控制方式，控制电路限制电感充电电流，使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流，同时在较重负载下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值电流，采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波，这样便于降低电路成本及电路的尺寸。
MAX1771的引脚如图2所示：
图2
1脚EXT：栅极驱动，接N沟道功率管。
2脚V＋：电源电压输入端，（正端）。
3脚FB：调节输出电压信号的反馈输入，接地为固定输出电压，接电阻分压器调节输出电压。
4脚SHDN：关断模式的关断输入，接地为正常操作。
5脚REF：对于外接负载是100μA的1．5V参考电压输出。
6脚AGND：模拟信号地。
7脚GND：从输出驱动器返回的大电流地。
8脚CS：该点电位传送到内部电流传感器的放大器，将电流传感器电阻接到CS和GND之间。
MAX1771极限参数：
| 供应电压UitoGND0.3V～17V | 工作温度 |
|---|---|
| 存储温度－65℃～＋160℃ | MAX1771C－A0℃～＋70℃ |
| 焊接温度（10秒）300℃ | MAX1771E－A－40℃～＋70℃ |
| Ui工作范围2V～16.5V | MAX1771MJA－55℃～＋125℃ |
(2)单元电路简介
图3为MAX1771应用的典型电路，Ui的输入范围为2～16.5V，而海水电池的输出电压为0.5～1.5V,这样低的电压无法使该变换器正常工作。笔者将这一电路作了一个小改动（见图4）,使该控制器的电源供应端V＋由Ui移至Uo,由于Uo是和蓄电池相连接的,这样蓄电池就成了本电路的一个辅助电源,确保了在任何电源电压Ui下都能使该电路正常工作,从而解决了低电压正常起动DC/DC变换器的问题。
图3
图4
①单元电路的升压范围
升压型DC/DC变换器的电路结构如图5所示，开关S导通时电池给电感L充电，在L中储存能量LI2/2（I为电感电流）。S断开后，L中的磁能又以电能形式释放出来供给滤波电容C2和负载RL。周期性的开关操作使电池能量源源不断地送入负载，而输出电压被变换为：
Uo=Ui/（1－D）（1）
图5
MAX1771的占空比D可达90％，由式（1）可看出D=90％时，该单元电路的升压幅度为最大，以Ui=0．5V计算。则
Uo=0.5/(1－0.9)=5V
也就是说在海水电池Ui为最低电压时，该单级升压电路最大也只能升至5V，要升至所需的12V或24V，则必须采用多级升压的办法。
②单元电路的最大获取功率
由于MAX1771的应用电路中只需少量外围元件，所以在决定应用电路的最大输出电流、系统效率以及电路体积方面，电感都起着重要的作用。该储能电感主要考虑的参数有电感量，、饱和电流和直流电阻。电感量的大小主要由最大输出电流所决定，小的电感可使电路提供较大的电流，但同时也增大峰值电流，使效率降低。较大的电感有利于减小电流的脉动，降低输出纹波，但同时也减少了单元电路从电源输入端获取的输入电流值，减少了单元电路的输出功率。另外，绕制电感的磁心材料也应尽量选取磁饱和电流大的高性能磁心材料。在本电路的设计中，首先应选择足够小的电感（尽量获取较大的电感电流），同时又不破坏电路的其它工作条件，以期获得最好的变换效果。
由于Ui的确太低，该变换器中开关管的管压降是电路损耗的主要原因，为了尽量减小开关管的管压降，提高其变换效率，除选用导通电阻尽可能小的开关管外，还采用多个开关管并联的办法进一步降低导通电阻。
由于手册中MAX1771Ui的最小值为2V，而本项目中的Ui为0.5V～1.5V,这样低的电源电压其试验数据只有自己在试验中获得。笔者在经过许多次试验后，以图4的电路为基本单元电路，确定了电路元件的参数，并以图6的方法测试其电路性能，得到表1所示的试验数据。由表1的数据可以看出：
图6
表1
| Ui(V) | Ii(A) | Pi(W) | Uo(V) | Io(mA) | Po(W) | η(％) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.4 | 0.9 | 0.36 | 2.2 | 110 | 0.24 | 67 |
| 0.5 | 1.2 | 0.62 | 2.89 | 140 | 0.4 | 67 |
| 0.6 | 1.4 | 0.84 | 3.22 | 160 | 0.5 | 60 |
| 0.7 | 1.6 | 1.12 | 3.76 | 190 | 0.7 | 60 |
| 0.8 | 1.9 | 1.52 | 4.38 | 220 | 0.96 | 63 |
| 0.9 | 2.1 | 1.89 | 4.93 | 250 | 1.23 | 63 |
| 1.0 | 2.4 | 2.4 | 5.53 | 280 | 1.5 | 65 |
| 1.1 | 2.7 | 2.97 | 6.2 | 310 | 1.92 | 63 |
| 1.2 | 2.6 | 3.12 | 6.45 | 320 | 2.06 | 65 |
| 1.3 | 2.4 | 3.12 | 6.51 | 330 | 2.15 | 69 |
| 1.4 | 2.1 | 2.94 | 6.55 | 330 | 2.16 | 73 |
| 1.5 | 1.9 | 2.85 | 6.69 | 330 | 2.21 | 78 |
由于Ui实在太低，使电路表现出一种非常特殊的电路特性，既便是牺牲整体电路的效率和电路的稳定性，也无法使该单元电路输出较大的功率，更不用说输出12W以上的功率了。为了解决这一难题只有采用以下的办法。
2．2单元电路的串并联
（1）单元电路的并联
为了在如此低的电压下获取尽可能大的输出功率和变换效率，笔者将五个如图6所示的单元电路相互并联使用，如图7所示，并取得表2所示的试验数据。
图7
表2
| Ui(V) | Ii(A) | Pi(W) | Uo(V) | Io(mA) | Po(W) | η(％) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.4 | 2.2 | 0.88 | 2.53 | 253 | 0.64 | 73 |
| 0.5 | 2.8 | 1.4 | 3.24 | 324 | 1.05 | 75 |
| 0.6 | 3.3 | 1.98 | 3.85 | 385 | 1.4 | 71 |
| 0.7 | 3.7 | 2.59 | 4.33 | 433 | 1.87 | 72 |
| 0.8 | 3.8 | 3.04 | 4.66 | 466 | 2.17 | 71 |
| 0.9 | 4.0 | 3.6 | 5.0 | 500 | 2.5 | 69 |
| 1.0 | 3.6 | 3.6 | 5.05 | 505 | 2.55 | 71 |
| 1.1 | 3.4 | 3.74 | 5.15 | 515 | 2.65 | 71 |
| 1.2 | 3.0 | 3.6 | 5.15 | 515 | 2.65 | 74 |
| 1.3 | 2.8 | 3.64 | 5.20 | 520 | 2.7 | 74 |
| 1.4 | 2.5 | 3.3 | 5.25 | 525 | 2.76 | 79 |
| 1.5 | 2.2 | 3.3 | 5.25 | 525 | 2.76 | 84 |
从以上试验数据可以看出：单元电路的并联使用，可以提高整体电路的输出功率。
（2）单元电路的串并联
在前面的试验中虽然提高了整体电路的输出功率，但由于受逆变电路升压范围的限制，电路并没有达到用电设备所要求的输出电压值，笔者用40个单元电路并联成一个整体电路，将这个整体电路再与一级相似的升压电路串联，连接的框图如图8所示，并得表3所示的一组试验数据。
图8
表3
| Ui(V) | Ii(A) | Pi(W) | Uo(V) | Io(mA) | Po(W) | η(％) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.4 | 15.6 | 6.24 | 6.19 | 0.52 | 3.2 | 48 |
| 0.5 | 16.5 | 8.25 | 7.31 | 0.61 | 4.46 | 54 |
| 0.6 | 18.4 | 11.04 | 9.06 | 0.76 | 6.84 | 60 |
| 0.7 | 20.5 | 14.35 | 10.52 | 0.88 | 9.18 | 64 |
| 0.8 | 24.8 | 19.84 | 12.53 | 1.05 | 13.1 | 66 |
| 0.9 | 26.5 | 23.85 | 13.2 | 1.09 | 14.5 | 61 |
| 1.0 | 23.8 | 23.8 | 13.2 | 1.09 | 14.28 | 60 |
| 1.1 | 21.6 | 23.75 | 13.2 | 1.09 | 14.5 | 61 |
| 1.2 | 19.8 | 23.76 | 13.2 | 1.1 | 14.49 | 61 |
| 1.3 | 18.3 | 23.79 | 13.2 | 1.09 | 14.27 | 60 |
| 1.4 | 17 | 23.8 | 13.2 | 1.10 | 14.52 | 61 |
| 1.5 | 15.9 | 23.85 | 13.2 | 1.1 | 14.55 | 61 |
从表3中所列数据可以看出，该串、并联的整体电路已能将Ui的低电压电源提升为高电压大功率的输出电源。该组数据为负载电阻RL=12Ω的条件下取得的，如果进一步减轻其负载（增大电阻），该组电路可以达到在Ui（0.5～1.5V）的全输入范围内获得稳定的输出电压(13.5V）。
3变换器在设计制造中的几个关键点
该DC/DC变换器是用MAX1771控制器为核心器件设计制造的，因而其单元电路的可靠性是有保证的，但由于其输入电压Ui低于MAX1771的标定工作范围，虽然将MAX1771的V＋端接辅助电源以确保在任何Ui时都能使MAX1771内部的逆变电路正常工作，可是由于其Ui实在太低，电路中任何一点的压降都会极大地影响其变换效率。如选用导通电阻为0．05Ω的某一型号MOSFET开关管，若电感电流为2A，则在MOSFET管上的压降就为0．1V，消耗掉输入电源能量的20％（Ui为0．5V时）。单元电路的变换效
率、性能优劣很大程度上都取决于电感及MOSFET管的选取。因而如何降低其直流通路的电阻便成为该单元电路设计的关键点。由于MAX1771的振荡频率最高可达300kHz，在印制板的设计中除考虑布线的电阻特性外，还应充分考虑整体电路的高频特性，这是该DC/DC变换器制造的又一关键点。由于其应用范围的特殊性，在成本允许的情况下，应尽量在单元电路中采用多个MOSFET管并联的办法以提高单元电路的变换效率。同时全部元器件应选用贴片件以提高电路的可靠性和降低整体电路尺寸。
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