單元電路的升壓范圍
升壓型DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖所示,開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)電池給電感L充電,在L中儲存能量LI2/2(I為電感電流).S斷開后,L中的磁能又以電能形式釋放出來供給濾波電容C2和負(fù)載RL.周期性的開關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負(fù)載,而輸出電壓被變換為:
Uo=Ui/(1-D)(1)
MAX1771的占空比D可達(dá)90%,由式(1)可看出D=90%時(shí),該單元電路的升壓幅度為最大,以Ui=0．5V計(jì)算.則
Uo=0.5/(1-0.9)=5V
也就是說在海水電池Ui為最低電壓時(shí),該單級升壓電路最大也只能升至5V,要升至所需的12V或24V,則必須采用多級升壓的辦法.
②單元電路的最大獲取功率
由于MAX1771的應(yīng)用電路中只需少量外圍元件,所以在決定應(yīng)用電路的最大輸出電流、系統(tǒng)效率以及電路體積方面,電感都起著重要的作用.該儲能電感主要考慮的參數(shù)有電感量,、飽和電流和直流電阻.電感量的大小主要由最大輸出電流所決定,小的電感可使電路提供較大的電流,但同時(shí)也增大峰值電流,使效率降低.較大的電感有利于減小電流的脈動,降低輸出紋波,但同時(shí)也減少了單元電路從電源輸入端獲取的輸入電流值,減少了單元電路的輸出功率.另外,繞制電感的磁心材料也應(yīng)盡量選取磁飽和電流大的高性能磁心材料.在本電路的設(shè)計(jì)中,首先應(yīng)選擇足夠小的電感(盡量獲取較大的電感電流),同時(shí)又不破壞電路的其它工作條件,以期獲得最好的變換效果.
由于Ui的確太低,該變換器中開關(guān)管的管壓降是電路損耗的主要原因,為了盡量減小開關(guān)管的管壓降,提高其變換效率,除選用導(dǎo)通電阻盡可能小的開關(guān)管外,還采用多個(gè)開關(guān)管并聯(lián)的辦法進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻.
由于手冊中MAX1771Ui的最小值為2V,而本項(xiàng)目中的Ui為0.5V~1.5V,這樣低的電源電壓其試驗(yàn)數(shù)據(jù)只有自己在試驗(yàn)中獲得.筆者在經(jīng)過許多次試驗(yàn)后,以圖4的電路為基本單元電路,確定了電路元件的參數(shù),并以圖6的方法測試其電路性能,得到表1所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù).由表1的數(shù)據(jù)可以看出:
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實(shí)在太低,使電路表現(xiàn)出一種非常特殊的電路特性,既便是犧牲整體電路的效率和電路的穩(wěn)定性,也無法使該單元電路輸出較大的功率,更不用說輸出12W以上的功率了.為了解決這一難題只有采用以下的辦法.
2．2單元電路的串并聯(lián)
(1)單元電路的并聯(lián)
為了在如此低的電壓下獲取盡可能大的輸出功率和變換效率,筆者將五個(gè)如圖所示的單元電路相互并聯(lián)使用,如圖7所示,并取得表2所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù).
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
從表3中所列數(shù)據(jù)可以看出,該串、并聯(lián)的整體電路已能將Ui的低電壓電源提升為高電壓大功率的輸出電源.該組數(shù)據(jù)為負(fù)載電阻RL=12Ω的條件下取得的,如果進(jìn)一步減輕其負(fù)載(增大電阻),該組電路可以達(dá)到在Ui(0.5~1.5V)的全輸入范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的輸出電壓(13.5V).
3變換器在設(shè)計(jì)制造中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)
該DC/DC變換器是用MAX1771控制器為核心器件設(shè)計(jì)制造的,因而其單元電路的可靠性是有保證的,但由于其輸入電壓Ui低于MAX1771的標(biāo)定工作范圍,雖然將MAX1771的V+端接輔助電源以確保在任何Ui時(shí)都能使MAX1771內(nèi)部的逆變電路正常工作,可是由于其Ui實(shí)在太低,電路中任何一點(diǎn)的壓降都會極大地影響其變換效率.如選用導(dǎo)通電阻為0．05Ω的某一型號MOSFET開關(guān)管,若電感電流為2A,則在MOSFET管上的壓降就為0．1V,消耗掉輸入電源能量的20%(Ui為0．5V時(shí)).單元電路的變換效
率、性能優(yōu)劣很大程度上都取決于電感及MOSFET管的選取.因而如何降低其直流通路的電阻便成為該單元電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn).由于MAX1771的振蕩頻率最高可達(dá)300kHz,在印制板的設(shè)計(jì)中除考慮布線的電阻特性外,還應(yīng)充分考慮整體電路的高頻特性,這是該DC/DC變換器制造的又一關(guān)鍵點(diǎn).由于其應(yīng)用范圍的特殊性,在成本允許的情況下,應(yīng)盡量在單元電路中采用多個(gè)MOSFET管并聯(lián)的辦法以提高單元電路的變換效率.同時(shí)全部元器件應(yīng)選用貼片件以提高電路的可靠性和降低整體電路尺寸.
