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超低输入电压升压式DC/DC转换器

本文介绍TI公司在2007年3月推出的一款超低输入电压升压式DC/DC转换器TPS61200系列。该系列在Ta=-40~+85℃工作温度范围内,最低输入电压为0.3V;单个芯片就能组成升压式电源,效率较高。该系列有三种型号,有输出可设定及固定电压输出,如表1所示。

特点与应用领域


TPS61200系列的主要特点:效率高(在VIN≥1.2V、输出3.3V、输出电流600mA时,其效率可大于90%);根据输入电压的大小能自动转换成升压模式或降压模式;静态电流小(小于55μA);输入电压在0.5V时,在满负载时也能启动工作;输入工作电压范围宽,从0.3~5.5V;输入低电压锁存的电压可设定;有输出短路保护;有输出电压可设定及固定输出的品种供用户选择(见表1);在输出功率较低时有节能模式,可提高效率;有可能强制按固定效率工作;在关闭电源时,负载与输入端断开;有过热保护;工作温度范围-40~+85℃;小尺寸3mm×3mm QFN封装。


TPS61200系列的主要应用领域:可用于1~3节碱性电池,镍镉或镍氢电池或1节锂离子电池、锂聚合电池或磷酸铁锂离子电池的电子产品;太阳能电池及燃料电池供电的电子产品;太阳能电池及燃料电池供电的电子产品;便携式音频播放器;PDA;手机;个人医疗电子产品(如血压计)及驱动白光LED等。


对使用一次碱性电池的产品来说,可以用到电池电压降到0.5V,做到物尽其用的程度,提高了电池的使用寿命。

引脚排列与功能


TPS61200系列的引脚排列如图1所示,各引脚功能如表2所示。

图1  TPS61200的引脚排列

主要技术参数


TPS61200系列主要极限参数:输入电压为-0.3~7V(包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO端)。建议工作条件:VIN=0.3~5V。


TPS61200系列主要电特性参数:可调输出电压为1.8~5.5V;固定3.3V输出电压允差±0.03V;固定5.0V输出电压允差±0.05V;内部平均开关电流限制为1350mA;静态电流典型值50μA;关闭状态时耗电小于2μA;EN端低电平:VIN<0.8V时为<0.1VIN、VIN>1.5V时为<0.4V、0.8V≤VIN≤1.5V时为<0.2VIN;EN高电平:VIN<0.8V时为>0.9VIN、VIN>1.5V时为>1.2V、0.8≤VIN≤1.5V时为>0.8VIN;PS输入低电平<0.4V、PS输入高电平>1.2V;开关管开关频率1250~1650kHz。

典型应用电路


TPS61200的典型应用电路如图2所示,TPS61201、TPS61202的应用电路如图3所示。

图2  TPS61200典型应用电路

图3  TPS61201、TPS61202的应用电路


图2是一种输出电压可设定的电路。输出电压VOUT与外接电阻分压器R1、R2有关,如下式所示:


VOUT=VFB(R1/R2+1)   (1)


式中,VFB=500mV,R1可设为1mΩ,则可求出R2值。例如,要求VOUT=3.3V,代入上式可求出R2=178.57kΩ,可取标准电阻值180 kΩ。


在图2中,EN端、PS端、UVLO端接VIN,这表示电源不采用EN端加低电平来关闭电源;PS端高电平表示在重负载条件下工作(此时振荡器按固定频率工作);UVLO接VIN,表示在VIN<250 mV时,使电源关闭,VOUT=0V,并锁存;只有当VIN>350mV时电源才恢复工作。


在图2中,VAUX接0.1μF接地,是为了稳定地工作(工厂建议C3用等效串联电阻小的多层淘洗电容器,容量为0.1μF)。此电容器在启动时向C3充电到一定值后,开关管才导通,它对开关管起缓冲作用。若输出电压VOUT<2.5V时。C3值可采用1μF。


C1是输入电容,其值最小是4.7μF,这里用10μF多层陶瓷电容器。C2是输出电容,工厂建议采用下式选择C2值:


C2=5L(μF/μH)       (2)


若L=2.2μH,则C2可取10μF。C2也采用多层陶瓷电容。采用更大容量的C2可减小输出纹波电压、减小瞬态负载变化引起的输出电压跌落。


图2中电感器L1值可用以下式来估算:


Lmin=VIN×0.5μs/A        (3)


一般L1在1.5~4.7μH之间取值,在整个输入电压与输出电压范围内有较好的性能。


图3是固定输出电压的应用电路。图中仅画出FB与VOUT连接在一起,其他部分与图2相中(在图3中未画出)。


如果输入电压的低压锁存电压阈值要设定,则设定的低压锁存阈值电压VINmin与外接电阻分压器R3、R4有关,如下式(电路如图4所示):

图4  TPS61200输入电压锁存电路

VINmin/(R3+R4)=VUVLO/R4(4)


式中,VUVLO=250mV。建议R4取250kΩ,则设定VINmin值后可求出R3值。在VIN低于VINmin时,输出被关闭(VOUT=0V)。


例如,设VINmin为1V,R4=250kΩ,VUVLO=250mV,则可求得R3=750kΩ。


不同工作条件下的效率


TPS61201及TPS61202在不同工作条件下的效率不同,这里给出一些典型的特性曲线。图5是TPS61202采用节能模式(PS端接地)时,不同的输入电压及不同输出电流时的效率曲线。图6是同样的TPS61202不采用节能模式(PS端接高电平)时的不同输入电压及不同输出电流时的效率曲线。从图5及图6比较可知:在输出电流IO=10mA时,输入电压从VIN为1.5~3V时,采用节能模式的效率要比不采用节能模式高得多,即在较轻负载的工作条件下,采用节能模式有较高的效率。例如,在VIN=2V,IO=10mA时,用节能模式的效率为78%,而不用节能模式时为5.3%。而在重负载时,如IO=500mA时,则用节能模式与不用节模式差别不大。

图5  TPS61202在节能模式时的效率

图6  TPS61202不采用节能模式时的效率


图7、图8是TPS61201采用节能模式及不采用节能模式时的效率曲线。从图7及图8比较可以看出:在IO=10mA时,在VIN从1~2.5V这一范围,采用节能模式提高了效率。例如,在VIN=2V时,图7的效率约76%;而图8的效率仅60%;在IO=100mA时,在VIN从1~2.5V这一范围,采用节能模式的效率比不采用节能模式的效率低。例如,IO=100mA,VIN=2V时,采用节能模式时,其效率约为76%;同样条件采用不节能模式时其效率约88%。

图7  TPS61201采用节能模式时的效率

图8  TPS61201不采用节能模式时的效率


从上述情况看,只有在轻载时采用节能模式才能提高效率;在负载电流较大时,采用节能模式效果并不好。


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