便携设备单片集成Boost型DC/DC转换器的分析与应用

曹跃进，唐海洋，李文鹏

（西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048）

便携设备单片集成Boost型DC/DC转换器的分析与应用

曹跃进，唐海洋，李文鹏

（西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048）

随着科技水平的提高，各种各样便携式的电子产品广泛采用电池供电。为了实现某油田无线通讯系统的供电电源高效率、体积小、外围电路简单等特点，本文采用单片高性能电流控制型PWM调制芯片TPS61080作为电源的核心部分，设计了一款Boost型DC/DC转换的开关电源，文章分析了芯片及其电路的工作原理和工作性能。实验结果表明，此开关电源输出16V电压能较好地满足该产品的应用需求。

TPS61080；PWM；升压；开关电源；DC-DC

随着智能化时代的到来，各类电子产品的发展趋于小型化、质量轻、高效率等特点。这些便携式的消费类电子产品的广泛应用，对供电系统的要求也会随着产品的需求而改变，应用领域的多元化推动了电源管理芯片的多样性，许多应用电池供电的领域都要求电池有更长的续航能力、自身及应用电路的体积小，重量轻等特点。采用单片高度集成PWM控制的升压型DC-DC转换芯片是高效节能型的电源管理系统的核心，TPS61080应用峰值电流模PWM控制技术，进行低噪声工作，具有转化效率高、易于控制、输出纹波小等优点[1-3]。

由Boost开关电源的原理和特点，文章介绍了电路的各个子模块。根据每个子电路的特殊需求，分析了它们的应用功能，应用中合理地选择外围电路[4-5]及所需器件，并在完成电路原理分析、电路原理图的绘制以及电路板制作的基础上，实验验证了理论分析和电路设计的正确性。

1 系统的总体结构及工作原理

1.1 系统的总体工作原理框图及芯片内部结构图

此次设计是以TPS61080高度集成升压芯片为核心。

TPS61080是一款输入DC2.5～6 V，输出最高可达DC27 V，电流500 ma，电源效率η可以达到83%左右（实际值），理论值可达87%，开关频率600 kHz/1.2 MHz的芯片。其Boost结构，采用峰值电流模PWM控制方式，芯片具有效率高，启动电压低，输出范围大等特点，该芯片将控制电路，保护电路，补偿电路，以及功率管单片集成，简化了外围电路。系统的总体工作原理框图及芯片内部电路图如图1、图2所示。

图1 系统总体工作原理框图

图2 TPS61080内部结构图

1.2 Boost电路的基本工作原理

Boost型DC-DC转换芯片的种类繁多，但是它们的基本工作原理[6-8]大同小异。该电路的拓扑结构图如图3所示，Boost转换器电路主要由功率开关管M1、电感L1、续流二极管D，、输出滤波电容COUT以及负载RL组成。其中电感、负载电容的ESR均未画出，但实际是存在的，在选择电路参数时是需要考虑的。

图3 Boost转换电路的拓扑结构图

隔离MOS管M2保持导通状态，当功率开关管M1导通时，由于其导通电阻（RDSON）小，续流二极管D的阳极与电源的负极相通，二极管承受的是反向电压，D处于截止状态，此时输出滤波电容COUT与负载RL构成回路，电源与电感L1和功率开关管M1组成另一条闭合回路，随着电池放电时间的累积，电感电流尚未达到饱和之前流过电感L1的电流不断增加，能量储存在电感L1中，而电容COUT则向负载RL供电，其等效电路图如图4所示。

图4 当开关管M1导通时的等效电路图

隔离MOS管M2仍保持导通状态，M1受控关断后，流过电感L1的电流不能立即改变，在开关管M1关断的瞬间L1两端的电压反相（左负右正），L1放电，使续流二极管导通，与电容COUT和负载RL构成回路释放能量，能量转化储存于滤波电容COUT上，其等效工作电路图如图5所示。

图5 当开关管M1截止时的等效电路图

由TPS61080内部结构图（图2）所知，当电路中发生短路时隔离MOS管M2会处于关断状态，这样就会使输入与输出完全隔离，电路停止工作以保护芯片。同时也可以避免电池由电感L1、续流二极管D形成漏电回路进行没有必要的消耗电能，增加电池的巡航能力。

1.3 Boost型DC-DC转换器的各个模块及可靠性分析

1.3.1 Boost型DC-DC转换器的各个模块

该转换器包含以下模块:带隙基准模块、PWM比较器模块、Thermal Shutdown过温关断模块、EA误差放大器模块、Enable使能信号产生模块、Ramp Generator模块、OSC模块、Current sensing模块、Soft start模块和Logic模块。

此系统的正常工作过程:输入电压经输入电容滤波后供给TPS61080，输出电压VOUT由R1和R2串联分压，经采样电阻得到反馈电压VFB，VFB与基准电压比较输出一个误差信号，该信号输出到PMW比较器的反相输入端，同时将对电感电流的采样信号与斜坡补偿电流信号叠加以后送入比较器的同相输入端，PWM比较器的输出信号与1.2 MHz的方波共同决定开关管M1开关信号的占空比，从而达到控制输出电压的目的。

1.3.2 Boost型DC-DC转换器的可靠性分析

1）短路保护

负载被短路的情况，由于M2与VIN以及电感L1的一端相连，负载被短路时，VOUT会迅速下降，当VOUT-VIN＜1.4 V并持续13 us，M2会被触发而关闭；当电流超越短路保护电流参数值时，M2会关断一段时间，直到短路保护机制消除，恢复正常工作。

2）过温保护和过压保护

过压保护（OVP）电路在输出电压超过其上限值28 V时会导致电源开关关闭；若VOUT低于下限值0.7 V时，那么转换器会重新开始PWM工作。过温保护在模块介绍中已经叙述过。

2 外围电路元件的选择、原理图以及其PCB

2.1 外围电路元件的选择

该转换器芯片内部集成了NMOS功率开关管，因此大大减少了外围元件[11-15]的数量，降低了PCB板的复杂程度。Boost型转换器经常用作升压转换器向负载供能，在低功耗的应用电路中，Boost型转换器一般不工作在连续导通状态，这样可以减小所需要的电感。

2.1.1 选择输入电容

电容是存储能量的电器元件，电容通过充电放电的过程实现电压的稳定，并且可以限制输入噪声源的干扰。输入电压是具有一定变化范围的直流电压，这个电容必须有低的等效串联电阻（ESR），因此陶瓷电容是比较好的选择。用一个电容值大于或等于4.7 μF的电容，物理连接时必须靠近VIN管脚。电容的作用不仅降低了VIN端的电压纹波，同时还降低了传递给其他电路的EMI干扰。

2.1.2 选择输出电容

大多数应用中，输出端接一个单一的4.7～10 μF的陶瓷电容就可以了。若需要更大一点的电容来提高线性度和瞬态响应，钽电容可以并联陶瓷电容（陶瓷电容的寄生阻抗由其自身决定，ESR小且与开关频率无关）使用，输出电压的纹波和负载电流成正比，输出电压纹波计算公式如式（1）所示:

其中VIN为输入电压，ILOAD为负载电流，Cout为输出电容，fsw为1.2 MHz（开关频率）。

2.1.3 选择电感

电感也是一种储能元件，可以在低电压的驱动下实现升压。选择电感时选直流电阻（DCR）低并且其饱和电流值大于系统本身的SW电流限制值的20%。一个决定电感的准则是大约电感纹波电流为其峰峰值电流的30%～40%。确保电感电流的峰值低于典型电流限制的75%，这样可以阻止由于电流限制的变化带来的调整损失。

式中ILOAD（MAX）是最大负载电流，ΔI为峰峰电感电流纹波，η为转换效率，IL为电感电流平均值，IPK为峰值电流，T为开关周期。由公式（5）可知纹波电流和电感值成反比，增大电感不仅可以降低输出电压纹波，还增大系统对负载电流的驱动能力。具体电感值的确定应以输入输出条件和系统瞬态响应特性为根据，选择电感值时总要综合考虑。

2.1.4 选择分压电阻、前馈电容和软启动电容

为了得到不同的输出电压值，外围电路的分压电阻R1、R2需要合理地选择，计算公式如下:

回馈电路中，前馈电容可以改善电路的瞬态响应和相位余量，经验值选择42 pF；软起电容的选择跟需要的软起时间有关，计算公式如下:

其中ISS为软起偏置电流，典型值为5 uA，1.229 V为典型带隙参考电压，CSS为软启动电容值。

2.2 原理图

原理图及PCB图如图6所示。

图6 电路原理图及PCB

3 实验结果

本次实验设计的是输出16 V/24 V的升压电路，下图波形接的负载为4～20 mA的传感器，图7中1通道的波形为电路输出电压的波形（上），2通道的波形为负载采样电阻的电压波形（下），为了得到更好的波形即希望得到纹波较小的电压波形且带负载的能力更好，分别做了5组实验，C1=4.7 μF，CSS=22 nF，C3=120 pF，L1=6.8 μH 得到COUT与纹波值数据如表1。图7为满足条件的波形图。

表1 16 V及24 V时训练测试实验纹波数据

图7 16 V（左）和24 V（右）输出的波形及负载采样电阻波形

因此由训练实验数据分析可得到所需要的输出电容值进而得到外围电路参数，实现电路的功能。

4 结论

本文设计的便携式DC/DC升压电路可以应用于各种便携式消费类电子产品，也可以用于小型的采用电池供电的各种仪器仪表，测试性能良好但是为了更好地满足工业现场及特定仪器的需求，此设计仍需要进一步的提高、改进和完善，扩大更广泛的实际应用价值。

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Analysis and application of monolithic boost DC-DC converter in the portable equipments

CAO Yue-jin，TANG Hai-yang，LI Wen-peng
（School of Electronic and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an710048，China）

With the development of science and technology，sorts of the portable electronic products have been powered by the battery，this way for power is increasingly becoming more and more convenient.In order to realize the power supply with high efficiency，small size，simple peripheral circuit characteristics of the wireless communication system of Oilfield.In this paper，a high-performance current-mode pulse width modulation control chip TPS61080 as the core part of the power of control to design a Boost DC-DC converter switching power supply.The working principle and the working performance of the IC with the peripheral circuit are analyzed.The experimental results show that this switching power supply can better meet the application of portable products well when the output voltage is 16 V.

TPS61080；PWM；boost；switching power supply；DC-DC

TN86

A

1674-6236（2017）23-0143-04

2016-10-11稿件编号：201610049

曹跃进（1957—），男，陕西渭南人，硕士，副教授。研究方向：电力电子及电力传动控制系统，计算机应用技术、工业通信网络等。