將 AA 電池的供電電壓提升至 5V

 

單節 AA 電池是一種極為方便的電源，適用於便攜式低功率應用。典型 AA 電池提供 2 安培小時容量，可以提供超過 2A 的峰值供電電流。電池在充滿電時通常能提供 1.5V
，在放電時能提供 0.9V。這個數值不包括內部電阻壓降，壓降範圍在 100mΩ 和 120mΩ 之間。要將該電壓範圍轉換為 3.3V 或 5V 穩定電壓，可以使用多款用於啟動和采用低輸入電壓工作的 DC/DC 升壓轉換器來完成。這些設備采用同步開關管，所以下管能夠啟動電感。然後，由上管將存儲的電能傳輸至輸出電容和負載。

 

MP3414 是一個 AA 升壓轉換器示例，它具有一個 1.5A 下管，可以利用最低 0.9V 電池輸入升壓實現 3.3V 輸出和 400mA 負載。圖 1 所示為 MP3414 電路。同步上管取代了電路中的分立式二極管，並在短路和故障情況下提供限流和輸入/輸出隔離。 

 

圖 1：同步升壓轉換器電路圖

 

雖然 MP3414 是適合單節 AA 或 3.3V 電壓不錯的解決方案，但其最大輸出電壓限製為 4.0V，開關電流限製（1.5A）則低於電池可以提供的最大電流。

 

對於輸出電壓和負載更高的應用，可以使用多種具備更高的最大電流和電壓規格的升壓 DC/DC 轉換器
，雖然這些轉換器的輸入電壓範圍可能受到限製。例如，MP3424 具備最高 9.5A 的開關管電流和 5.5V 輸出電壓
，以及最低 2.0V 的上電電壓和最低 1.6V 的工作電壓。根據這些規格，可以看出 MP3424 可能不太適合單節 AA 電池應用
；但是
，通過使用特殊的電路技術和係統設計

，我們可以獲取一種有用的解決方案。

 

更高功率的 AA 升壓電路

 

升壓轉換器電路使得開關電源路徑可以和輸入偏置相互分離，並且采用低功率輔助電源實現大電流升壓設計。圖 2 所示為 MP3424, 其電路將開關電流路徑和輸入偏置分離開來。 

 

圖 2：單節電池
、大電流升壓轉換器

 

MP3424 輸入和使能引腳僅消耗極少量電流，如果在啟動之後，輸出被調節至高於 3V，那麼設備會與輸出偏置。這意味著
，偏置次級電源可能是一個小型 3V 鋰電池，是一個次級 DC/DC 轉換器
，或者是使用 AA 電池的充電泵設備。

 

MP3424 的最大開關電流限值為 9.5A，但包含一個電流檢測電路，可以產生可調節的最大輸出電流。AA 電池的內部電阻將峰值電流限製為最大約 3A，在輸入為 0.9V 時為約 2A（在實際輸入為 0.7V 時，ESR 損失為 0.1Ω x 2A = 0.2V）。RSENSE 可使用公式（1）計算得出：

 

IOCL=VOCL/RSENSE

 

其中IOCL 是輸出恒定電流限值VOCL = 30mV. 

 

電流限值為 400mA 時，, RSENSE為0.075Ω. 當設備負載增大到電流限值時

，峰值開關電流受到限製，以支持該電流（在輸出為 5V 時約為 3A）。因此，輸出電壓開始下降。輸出電壓保持為較低的恒定電壓，AA 電池則保持安全的峰值電流。如果負載增加，輸出最後會降低至低於輸入，上管 MOSFET 會將電流導入負載。如果 VOUT 降至預期輸出的 50% 以下，設備會進入短路限製和關斷狀態，並每隔 40µs 重試一次。

 

出色的便攜式脈衝電源

 

在滿足便攜式設備對間歇脈衝峰值功率的需求時
，恒定電流功能非常有用。許多應用需要傳感器、處理器和存儲器短時運行
，然後關斷
，並重複這種操作。這種過程可能隨處進行重複，頻率從幾百次/秒到僅僅一次/秒。因為所需功率可能超過單節 AA 電dian池chi的de峰feng值zhi容rong量liang
，另ling一yi種zhong解jie決jue方fang案an是shi增zeng高gao至zhi更geng高gao電dian壓ya，然ran後hou在zai兩liang次ci突tu發fa之zhi間jian將jiang電dian荷he存cun儲chu在zai電dian容rong中zhong。如ru此ci，電dian容rong可ke以yi在zai突tu發fa期qi間jian放fang電dian
，然ran後hou再zai重zhong新xin充chong電dian。 

 

圖 3 所示為一個峰值脈衝供電係統示例應用。 

 

圖 3：峰值脈衝供電係統

 

圖 3 所示為一個峰值脈衝供電係統示例應用。

 

在此應用中
，負載為 5W，恒定保持 100µs（例如 IR LED），初始電壓為 5V
，按 1.0ms 為間隔重複。MP3424 對一節 AA 電池進行升壓
，采用 1.5µH 電感，以及一個 220µF 電解輸出存儲電容。開關頻率固定為 580kHz，輸出電流限值設置為 0.3A 恒定值，以為輸出電容充電。采用放電電容電源提供恒定 5W，並得出一條放電曲線（參見圖 4）。該模擬曲線中包含電容的 30mΩ 串行電阻。 

 

圖 4：放電曲線

 

注意，MP3424 可以在放電期間升壓，但在本例中，MP3424 被(bei)禁(jin)用(yong)，負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)由(you)電(dian)容(rong)單(dan)獨(du)提(ti)供(gong)。由(you)於(yu)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)是(shi)恒(heng)定(ding)的(de)，且(qie)負(fu)載(zai)源(yuan)極(ji)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)，所(suo)以(yi)電(dian)流(liu)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)源(yuan)會(hui)隨(sui)時(shi)間(jian)增(zeng)加(jia)。放(fang)電(dian)之(zhi)後(hou)
，電(dian)容(rong)的(de)電(dian)壓(ya)約(yue)為(wei) 4.5V。

 

電容通過啟用 MP3424（具備 300mA 恒定電流輸出）來充電。使用 dt = C x dV / I


，可以計算得出充電時間為（220e - 6 x 0.5）/ 0.3 = 367µs
，如此

，可以在 1ms 周期時間內讓電容重新達到 5V，且還具有多餘時間。當輸出電壓達到 5.0V 時，MP3424 切換到低負載電流跳頻（PFM）模式

，幫助降低電池消耗。MP3424 的電流控製使電池在充電周期內的峰值電流保持在 1.5A 左右，可以防止 ESR 導致電池電壓過度下降。

 

給超級電容充電

 

另一個高峰值電流應用要求在兩次放電之間保持長時間充電，以免造成電池消耗。這種特殊應用要求功率恒定為 2.0W，放電時間為 500ms，並在首次放電之後進行時長 2 秒的二次放電。之後
，該係統可以閑置一個月。圖 2 中同樣的 MP3424 電路的輸出為 5V 時
，可以與 0.5F 超級電容（SC）配對，獲得更長的放電時間。超級電容擁有更高的 ESR（約為 0.4Ω），所以降壓穩壓器的輸入端存在壓降。在放電期間，此壓降約為 0.25V。截止電壓為約 4.1V，在 1 秒充電時間內存在 300mA 恒定電流。放電時間和充電時間為 1.5 秒時，可以達到實現 2 秒周期時間的條件。

 

由於 MP3424 的輸出和檢測引腳存在泄漏，所以在設備被禁用（以保護電池）時，超級電容會在一個月內保持非活動放電。對於這種應用，輸出 P 通道開關管會將 SC 和升壓電路隔離開來，並由微控製器用來啟動放電/充電周期的使能信號來實施控製。單個封裝中的 N 通道和 P 通道組合通過使能高信號來實施開關，將超級電容的關斷泄漏降低至低於 50nA。圖 5 顯示了整個電路。 

 

圖 5：超級電容為電路充電，以實現峰值脈衝功率

 

結論

 

對於電源功率有限的應用，例如低壓電池

，在升壓 DC/DC 調(tiao)節(jie)器(qi)中(zhong)采(cai)用(yong)可(ke)編(bian)程(cheng)恒(heng)定(ding)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)。使(shi)用(yong)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)上(shang)的(de)開(kai)關(guan)引(yin)腳(jiao)提(ti)供(gong)單(dan)獨(du)的(de)電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)
，同(tong)時(shi)采(cai)用(yong)小(xiao)型(xing)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)偏(pian)置(zhi)該(gai)設(she)備(bei)，以(yi)發(fa)揮(hui)電(dian)池(chi)電(dian)源(yuan)的(de)所(suo)有(you)潛(qian)在(zai)功(gong)率(lv)。

 

 

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