超低輸入電壓DC-DC變換器的設計及應用

常伯儀

（天津力神特種電源科技股份公司，天津 300384）

0.引言

近年來，為了應對全球氣候變化危機，聯合國陸續達成了多項協議以應對氣候變化進程。其中，《巴黎協定》提出,全球將盡快實現溫室氣體排放達峰，到21世紀下半葉實現全球凈零排放。同時在今年“碳達峰、碳中和”被首次寫入我們國家的政府工作報告中，未來綠色能源清潔能源將成為我們日常生活中主要的能量來源。在目前已知的新能源技術領域中，光伏發電、生物能發電、熱電池、等占比相當可觀，也成為主要的研究對象。這幾種發電方式均存在單體輸出電壓較低，輸出功率較小，輸出能量無法連續的特點，需要通過陣列組合方式或外部電子升壓電路配合才能實現足夠的電壓輸出，并將輸出的電能存儲在外部電池中，實現電能利用的削峰填谷。在實際應用中，我們以生物燃料電池為例，其單體輸出電壓為0.3V～0.9V，輸出電流1.5A左右。若將其產生的能量收集至鋰電池中，需要DC-DC電路提供輸出電壓為3.6V～4.2V可調電壓輸出，并可以向電池負載提供最大100mA恒流輸出，且效率高于60%。經多方調研，目前國內尚無滿足此超低輸入電壓范圍的恒流輸出DC-DC升壓解決方案[1]。

1.系統概述

經設計選型TPS61200 器件作為主控升壓芯片，它可以為由單節、2節或3節堿性、鎳鎘或鎳氫電池或單節鋰離子或鋰聚合物電池供電的產品提供電源解決方案。也能被應用在燃料電池或太陽能電池供電的設備中，在此類應用中處理極低的輸入電壓能力十分重要，其可能達到的輸出電流取決于輸入與輸出電壓比。在使用一個單節鋰離子或鋰聚合物電池并且將其放電至2.6V輸入時，此器件在升搞電壓至 5V輸出時可以提供高達600mA的輸出電流。此升壓控制器基于一個固定頻率、脈寬調制（PWM）控制器，同時使用同步整流來獲得最大效率。在低負載電流情況下，此轉換器進入省電模式以在寬負載電流范圍內保持高效率。在沒用進入低功耗模式時，可以讓轉換器運行在固定的開關頻率下。平均輸入電流被限制在1500mA的最大值上。通過一個外部電阻器分壓器可對輸出電壓進行編程，或者在芯片上對輸出電壓進行內部固定從而獲得固定或者可調的輸出電壓。轉換器具有低功耗模式，進入該模式可以大大減少外部輸入電池輸出能量消耗，而且在關斷期間，負載從電池上完全斷開，與輸入端實現完全隔離。此器件采用10引腳3mm×3mm VSON封裝，其熱阻抗系數為2.8℃/W，使得其在無外加散熱片的應用中TJ溫升極小，可滿足小尺寸PCB的應用。

系統電路原理圖如圖1所示，TPS61200作為主控換能芯片，R1和R2作為輸出電壓設定電阻，調節所需的實際輸出電壓。D1輸出保護二極管采用SM74611理想二極管，其輸出正向壓降僅為26mV@8A，在電路中防止外部電池電壓高于輸出電壓時出現的電流倒灌情況。由基準電壓源TL431和精密低功耗運算放大器組成了最大功率點跟蹤電路（MPP），運算放大器主要用作比較器它將生物燃料電池的電壓與參考電壓進行比較。該參考電壓由TLV431和通過更改電阻R4進行調整。也可以使用電位計代替電阻分壓器能夠根據不同的生物燃料電池類型和不同的條件調整電路。由于微生物營養條件與環境溫度對電池的可用功率有很大影響，因此對優化后的MPP的電壓值對電池工作狀態有很大影響。在實際應用中，可以先用電位計找到特定生物燃料電池MPP的理想值后，再用固定電阻分壓代替。當電壓達到設定值時，外部MPP電路就使能主轉換器開始工作，激活主開關立即增加從生物電池中獲得的輸入的電流，同時輸出功率也大幅提升。當進入穩態工作時，輸入電流與輸出電流由輸出分壓器設置的轉換比決定。如果需要降低輸入電流，可以使用MPP電路通過向TPS61200的反饋電路注入電流，將設定輸出電壓降低到更低的值。隨著轉換器輸出電壓的降低，輸入電流也隨之降低。這會降低生物電池的電流，并降低由于生物電池輸出電阻產生的電壓降，使得其工作在最佳的功率點上[2]。

圖1 電路原理圖

2.性能分析

為充分驗證電路性能，進行了加載測試，選用滿電電壓為4.2V的三元鋰離子電池作為負載，將其電壓分別放電至2.5V、3.5V，即半電和放空狀態，并測量在兩種狀態下的電路工作情況，實測數據如表1和表2所示。

表1 電路工作數據@儲能電池2.5V

表2 電路運行參數@儲能電池3.5V

將表中數據經整理分析得出，本電路在不同負載狀態下的輸出效率特性曲線，如圖2所示。并可知在輸入電壓大于0.3V即可正常工作，輸出穩定的電壓電流，在0.55V時電路整體工作效率均大于50%，滿足在極低輸入電壓下的輸出條件[3]。

圖2 負載特性曲線

3.結語

本電路經實際測試驗證，可以滿足在0.3V～0.9V的極低輸入電壓下，實現2.5V～3.6V連續可調輸出，并可以向鋰電池提供不超過100mA的最大充電電流，適用于在較低輸入電壓的新能源電池能量變換，能量存儲等領域的廣泛應用。