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一种基于TPS61022的恒定且可调输出功率的加热单元供电方案

发布时间:2020-01-10 责任编辑:wenwei

【导读】这篇博客给出了一种加热单元的供电解决方案,主要包括一节锂电池,一个升压电路(TPS61022)和一个加热电阻(2 Ω)。这个解决方案支持最高12.5W(5V/2.5A)输出,并且功率连续可调。通过在加热单元里加入一个升压电路,可以使得加热单元获得更高和更稳定的输出电压。同时,这个方案带有输出功率连续可调的功能,使得加热单元的设计更加灵活。
 
1 加热单元的介绍
 
加热单元的基本结构如图1所示,主要包括锂电池,相关充电电路和接口;加热电阻丝;中央控制器(MCU)和气流检测的传感器等。一般情况下电阻丝的阻值一般在0.4 Ω~2.8 Ω左右。传统的方法是利用电池直接给电阻加热的方式,也可以在电池和电阻之间串联一个开关管调节输出功率。但是,这种方法最大的输出功率会受到电池电压限制的,同时因为电池电压不稳定,造成输出功率的不稳定。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037466
图1 加热单元的基本结构
 
2 TPS61022 介绍
 
TPS61022 是一个支持从锂电池输入,输出15W(5V/3A)的一颗升压芯片。它在全温度范围内开关电流的谷值最小值6.5A。TPS61022有较小的导通电阻,下开关管的导通电阻是12mΩ,上开关管的导通电阻是18mΩ。所以它有比较高的效率,比如在Vin=3.6V, Vout=5V,Iout=2.5A的情况下整机效率大概95%。同时,TPS61022的典型启动带载能力为1Ω,所以它可以支持大部分加热单元的烟嘴电阻阻值启动。TPS61022 的工作开关频率是1MHz,封装是2mm*2mm VQFN,可以帮助客户获得较小的设计面积。
 
3 系统介绍
 
加热单元的供电电路如图2所示。可以通过PWM调制EN引脚实现输出功率的动态调节。通过把MODE引脚连接到GND(低电平)使得TPS61022工作在轻载高效的模式,可以在轻载下获得更高的效率。根据TPS61022的应用手册[1],选择1μH的电感,输出采用3颗22μF的陶瓷电容。可以将MCU的GPIO与EN引脚连接,通过调整输出PWM的占空比来调节输出的功率。整个系统的好处是输出功率稳定,不受输入电压变化的影响。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037466
图2 通过TPS61022实现加热单元的供电电路图
 
4 测试结果
 
图3是工作在Vin=3.6V,占空比50%下的稳态波形图。TPS61022可以通过调制EN引脚实现调节输出功率的目的。当EN引脚为高电平,TPS61022首先会软启动,开始工作;当EN引脚为低电平,TPS61022会关机。通过TPS61022不断的开启关闭,实现控制平均输出功率的目的。建议使用PWM的频率为100Hz。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037466
图3 TPS61022稳态波形
 
图4的表示了输出功率随着PWM占空比的变化曲线。从曲线中可以看出,输出功率和占空比的关系并不是线性的。因为TPS61022存在软起动的过程。在占空比是100%,输出功率为12.5W,满负载工作。当占空比为50%时,输出功率为5.6W。用户可以通过调节PWM的占空比来调节输出功率,进而调节加热单元的口感。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037466
图4输出功率与占空比的关系曲线
 
图5表示了效率和PWM的占空比的变化曲线。测试的输入电压为3.6V。从曲线中可以看出,系统的整机效率为95%在满载输出功率下(5V/12.5W)。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037466
图5 效率与占空比的关系曲线
 
图6和图7显示了不同占空比下的温升。图6显示芯片的温升是19.6℃,在Vin=3.6V输出功率12.5W(满载功率)。图7显示芯片的温升是13.6℃,在Vin=3.6V输出功率3W(50%PWM占空比)。温升均在可以接受的范围内。
 
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