1、引言

　　可充電鋰電池在手持電子產(chǎn)品以及工控領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在使用過(guò)程需要不斷對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，一種便捷可靠充電電路不僅可以提高電池的使用壽命，而且可以保證充電過(guò)程中的安全。該充電方式不僅可以通過(guò)USB接口進(jìn)行充電還以通過(guò)USB接口與帶有USB接口的5V電源適配器進(jìn)行直接連接進(jìn)行充電，與之前只能通過(guò)電源適配器進(jìn)行充電的方式更加便捷。鋰電池使用的領(lǐng)域本身控制板的所需提供的電源電壓一般為3.3V或5V，當(dāng)鋰電池使用在3.3V工作的控制電路中所需通過(guò)斬波或其它方式對(duì)其進(jìn)行降壓處理以滿足使用的需求；當(dāng)使用在5V或更高電壓供電的控制電路中就需要將鋰電池的3.7V通過(guò)直流升壓電路進(jìn)行處理已達(dá)到控制電路的需求。本文完成一套控制電路需要的電源電壓為5V，采用直流Boost升壓電路設(shè)計(jì)。

　　2、鋰電池充電電路

　　本文所中所論及的鋰電池充電電路主要有CN3052構(gòu)成，CN3052是可以對(duì)單節(jié)鋰離子或者鋰-聚合物可充電電池進(jìn)行橫流/恒壓充電的充電控制器，該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時(shí)不需要外部的電流檢測(cè)電阻和阻流二極管；該芯片并且符合USB總線技術(shù)規(guī)范，非常適用于便攜式應(yīng)用領(lǐng)域；對(duì)于熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時(shí)候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)；調(diào)制輸出電壓為4.2V，精度達(dá)1%，其充電電流的大小可以通過(guò)一個(gè)外部電阻點(diǎn)整。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)CN3502自動(dòng)進(jìn)入低功耗睡眠模式，在該模式先芯片的消耗功率為微瓦數(shù)量級(jí)。同時(shí)該充電芯片還具備輸入電壓過(guò)低檢測(cè)，自動(dòng)在充電，芯片使能輸入和電池溫度監(jiān)控以及狀態(tài)指示等功能。

　　圖1CN3502充電原理圖

　　3、DC-DC變換電路

　　3.1、DC-DC變換電路分類與特性

　　DC-DC變換器的種類很多，按輸入/輸出回路是否采用隔離，可分為隔離型DC-DC變換和非隔離型DC-DC變換兩大類。其中隔離型DC-DC變換相對(duì)于非隔離型DC-DC具有可變換的電壓范圍寬，輸出文波特性好等優(yōu)點(diǎn)；但是隔離型DC-DC變換都需要有變壓器，以及其它所需的元器件，所以在電路中占用的空間大，所需成本高等缺點(diǎn)，一般不適用于體積較小的器件中；非隔離型DC-DC變換具有所需器件少，重量輕、體積小和成本低的優(yōu)良特性；本文所涉及的DC-DC變換適用于手機(jī)、儀器儀表以及可以隨身攜帶的測(cè)量與計(jì)量器中，因此非隔離型DC-DC變換更為適用。對(duì)于非隔離型DC-DC升壓變換又分為電容型電荷泵倍壓變換和電感DC-DC變換，電荷泵倍壓變換電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，元器件選擇適當(dāng)?shù)碾娙菁纯桑瑫r(shí)其產(chǎn)生的干擾較小，但是它只能提供有限的范圍的電壓輸出，絕大多數(shù)電荷泵IC的電壓轉(zhuǎn)換最多只能達(dá)到輸入電壓的兩倍，這表示輸出電壓不可能高于輸入電壓的兩倍，因此其提供的電壓輸出范圍有限，應(yīng)用較窄；電感型DC-DC變換相對(duì)于電荷泵具有輸出效率高，輸出電壓可以根據(jù)需要通過(guò)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有較寬的輸出電壓范圍，其缺點(diǎn)在于電路中需要對(duì)電感進(jìn)行充放電，增加電路的復(fù)雜性，也交易產(chǎn)生干擾。通過(guò)對(duì)各種DC-DC變換的優(yōu)缺點(diǎn)比較，本位擬采用電感型DC-DC變換，本方案在成本，體積、效率以及輸出電壓范圍等方面都具有優(yōu)良的特性。

　　3.2、電感型DC-DC變換器原理

　　電感型DC-DC變換，其工作原理是應(yīng)用流經(jīng)電感的電流不能突變，在一個(gè)工作周期內(nèi)，電感兩端的平均壓差為零這一特性。如下圖2所　示DC-DC升壓電路工作原理圖，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)能量從輸入電源流入儲(chǔ)能電感L中，此時(shí)二極管D處于反偏截至狀態(tài)，儲(chǔ)存在濾波電容C中的能力釋放給負(fù)載；當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)由于電感L中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流的減小，L中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性為左負(fù)又正，此時(shí)續(xù)流二極管D處于正向偏置導(dǎo)通狀態(tài)，電感中的能量經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管向?yàn)V波電容C充電，同時(shí)給負(fù)載供電。

　　圖2電感型DC-DC升壓原理圖

　　在開(kāi)關(guān)S閉合期間，流經(jīng)電感L中的電流近似線性增加，其值為：式1其中為流過(guò)儲(chǔ)能電感L的最小電流值。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合結(jié)束時(shí)流過(guò)電感L的電流為：式2由式1和2可得，在開(kāi)關(guān)S閉合期間流過(guò)電感L的電流增量為：式3在開(kāi)關(guān)S打開(kāi)時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感兩端的電壓為：式4.時(shí)流過(guò)電感L的電流為：式5在開(kāi)關(guān)S打開(kāi)結(jié)束時(shí)，流過(guò)電感L的電流為：式6此時(shí)電流的變化量為：式7在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的電流在開(kāi)關(guān)S閉合期間的增量等于開(kāi)關(guān)S打開(kāi)期間的減少量，由式3和式7得到：式8所以：式9。

　　其中，可見(jiàn)改變占空比大小，就可以獲得所需的電壓值，由于占空比總是小于1，所以輸出電壓總是大于輸出電壓。

　　3.3、DC-DC變換電路設(shè)計(jì)

　　如圖3所示為本文設(shè)計(jì)的DC-DC變換電路原理圖。從圖3所示DC-DC變換原理圖可知，本變換電路由儲(chǔ)能電感L1、開(kāi)關(guān)控制器MAX1771、功率MOS管IRF7403，續(xù)流二極管IN5817以及濾波電容等元器件組成。

圖3DC-DC變換原理圖

　　MAX1771是一款采用雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體工藝的開(kāi)關(guān)電源控制器，該芯片內(nèi)部預(yù)制輸出電壓為12V，并且提供可調(diào)輸出電壓配置功能，其結(jié)合了PFM（脈沖頻率調(diào)制）和PWM（脈沖寬度調(diào)制）的優(yōu)良特性，具有高的輸出效率和寬范圍的輸出電流。脈沖頻率調(diào)制具有較小的靜態(tài)電流，在小負(fù)載條件小工作時(shí)具有較高的工作效率，但是文波較大；脈沖寬度調(diào)制在大負(fù)載條件下具有較高的效率，切噪聲小。該芯片采用的是一種新型限流PFM控制方式，來(lái)控制電感充電電流，使其不超過(guò)某一電流峰值。這樣既保持了傳統(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，同時(shí)在較大負(fù)載下工作時(shí)也具有較高的工作效率，同時(shí)由于限制了電感的電流峰值，外圍電路可以采用較少的器件就可以獲得滿意的文波輸出電壓，這樣即減小了體積又降低成本。MAX1771引腳功能簡(jiǎn)介：1）EXT為N溝道功率開(kāi)關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出腳；2）V+為控制芯片提供輸入電源，同時(shí)作為自舉工作模式的電源檢測(cè)輸出；3）FB為反饋檢測(cè)輸出端，通過(guò)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制；4）SHDN為工作模式選擇輸出引腳，通過(guò)控制該引腳的輸入電平，可實(shí)現(xiàn)工作休眠模式；5）REF為1.5V參考電壓輸出，如果不用可以通過(guò)0.1uF電容接地；6）AGND為模擬電源地；7）GND為電源返回地；8）CS引腳為限流輸出引腳，通過(guò)檢測(cè)功率管的電流實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

　　MAX1771外圍電路設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，需要通過(guò)將輸出電壓反饋輸入到MAX1771的FB引腳，通過(guò)該反饋電壓與內(nèi)部的1.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，來(lái)調(diào)節(jié)PFM頻率輸出。如圖3所示，該反饋網(wǎng)絡(luò)由和以及電容組成，對(duì)與電阻為了保證阻抗匹配選擇范圍為10K到500K之間，在此選擇的阻值為100K通過(guò)公式：來(lái)得到的阻值為220K，對(duì)于的容值選擇既要保證工作的穩(wěn)定性又要保證線性關(guān)系。該值通過(guò)實(shí)驗(yàn)在此選定為47pF。

　　3.3.1、電感量確定

　　根據(jù)電路的工作波形，電感電流包括直流平均值和紋波分量?jī)刹糠帧＜偃艉雎噪娐返膬?nèi)部損耗，則變換器的輸出能量和變換器的輸入能量相等，即，所以電感電流的文波分量是三角波，在期間，相對(duì)于平均電流，電流的增量為；在期間，電流的減少量為；當(dāng)該電路工作在穩(wěn)定態(tài)時(shí)，電流的減少量等于電流的增加量即：；為了保持電路工作的穩(wěn)定性與可靠性一般取流過(guò)電感的峰值電流不大于其最大平均電流的1.2倍，同時(shí)避免因?yàn)殡娏鬟^(guò)大造成電感飽和。電感的感值可以通過(guò)下式確定（楊旭．開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．）式中L為臨界電感量，為電壓輸出值，D為占空比，T為開(kāi)關(guān)周期，為最大輸出的電流。在此為5.0V，D取值為0.26，T為20ｕs，最大輸出電流為1A。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到L的電感量為7.12uH，在該設(shè)計(jì)中取L的電感量為22uH/2A的標(biāo)準(zhǔn)電感。

　　3.3.2、濾波電容值確定

　　輸出濾波電容容量與輸出電壓的文波的要求直接相關(guān)，同時(shí)輸出文波電壓與占空比D有一定關(guān)系。其輸出文波電壓的表達(dá)式為：（李定宣，開(kāi)關(guān)穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用）由該式得出電容容值表達(dá)式為：在該設(shè)計(jì)中輸入電壓為3.7V，占空比D為0.26，MAX1771的輸出頻率定為50KHz，對(duì)于輸出電壓的文波要求不大于1%，從而得到濾波電容的容值為44uF。

　　3.3.3、開(kāi)關(guān)管的選擇

　　開(kāi)關(guān)管VT在電路中承受的最大電壓是U0，考慮到輸入電壓波動(dòng)和電感的反峰尖刺電壓的影響，所以開(kāi)關(guān)管的最大電壓應(yīng)滿足＞1.1×1.2。實(shí)際在選定開(kāi)關(guān)管時(shí)，管子的最大允許工作電壓值還應(yīng)留有充分的余地，一般選擇（2~3）1.1×1.2。開(kāi)關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇（2~3）。開(kāi)關(guān)管的選擇，主要考慮開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計(jì)選擇P溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF7404，該器件的VDSM=20V，IDM=7A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　按以上原理和計(jì)算設(shè)計(jì)輸入3.7V，輸出5V的5W升壓DC／DC電路，整個(gè)電路調(diào)試容易，工作穩(wěn)定，可靠性高，效率達(dá)85％以上，特別是成本低，已應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備中。另外，可根據(jù)具體的電路指標(biāo)要求，對(duì)電路靈活控制、變動(dòng)，設(shè)計(jì)出其他的應(yīng)用電路