将 AA 电池的供电电压提升至 5V

 

单节 AA 电池是一种极为方便的电源，适用于便携式低功率应用。典型 AA 电池提供 2 安培小时容量，可以提供超过 2A 的峰值供电电流。电池在充满电时通常能提供 1.5V，在放电时能提供 0.9V。这个数值不包括内部电阻压降，压降范围在 100mΩ 和 120mΩ 之间。要将该电压范围转换为 3.3V 或 5V 稳定电压，可以使用多款用于启动和采用低输入电压工作的 DC/DC 升压转换器来完成。这些设备采用同步开关管，所以下管能够启动电感。然后，由上管将存储的电能传输至输出电容和负载。

 

MP3414 是一个 AA 升压转换器示例，它具有一个 1.5A 下管，可以利用最低 0.9V 电池输入升压实现 3.3V 输出和 400mA 负载。图 1 所示为 MP3414 电路。同步上管取代了电路中的分立式二极管，并在短路和故障情况下提供限流和输入/输出隔离。 

 

图 1：同步升压转换器电路图

 

虽然 MP3414 是适合单节 AA 或 3.3V 电压不错的解决方案，但其最大输出电压限制为 4.0V，开关电流限制（1.5A）则低于电池可以提供的最大电流。

 

对于输出电压和负载更高的应用，可以使用多种具备更高的最大电流和电压规格的升压 DC/DC 转换器，虽然这些转换器的输入电压范围可能受到限制。例如，MP3424 具备最高 9.5A 的开关管电流和 5.5V 输出电压，以及最低 2.0V 的上电电压和最低 1.6V 的工作电压。根据这些规格，可以看出 MP3424 可能不太适合单节 AA 电池应用；但是，通过使用特殊的电路技术和系统设计，我们可以获取一种有用的解决方案。

 

更高功率的 AA 升压电路

 

升压转换器电路使得开关电源路径可以和输入偏置相互分离，并且采用低功率辅助电源实现大电流升压设计。图 2 所示为 MP3424, 其电路将开关电流路径和输入偏置分离开来。 

 

图 2：单节电池、大电流升压转换器

 

MP3424 输入和使能引脚仅消耗极少量电流，如果在启动之后，输出被调节至高于 3V，那么设备会与输出偏置。这意味着，偏置次级电源可能是一个小型 3V 锂电池，是一个次级 DC/DC 转换器，或者是使用 AA 电池的充电泵设备。

 

MP3424 的最大开关电流限值为 9.5A，但包含一个电流检测电路，可以产生可调节的最大输出电流。AA 电池的内部电阻将峰值电流限制为最大约 3A，在输入为 0.9V 时为约 2A（在实际输入为 0.7V 时，ESR 损失为 0.1Ω x 2A = 0.2V）。RSENSE 可使用公式（1）计算得出：

 

IOCL=VOCL/RSENSE

 

其中IOCL 是输出恒定电流限值VOCL = 30mV. 

 

电流限值为 400mA 时，, RSENSE为0.075Ω. 当设备负载增大到电流限值时，峰值开关电流受到限制，以支持该电流（在输出为 5V 时约为 3A）。因此，输出电压开始下降。输出电压保持为较低的恒定电压，AA 电池则保持安全的峰值电流。如果负载增加，输出最后会降低至低于输入，上管 MOSFET 会将电流导入负载。如果 VOUT 降至预期输出的 50% 以下，设备会进入短路限制和关断状态，并每隔 40µs 重试一次。

 

出色的便携式脉冲电源

 

在满足便携式设备对间歇脉冲峰值功率的需求时，恒定电流功能非常有用。许多应用需要传感器、处理器和存储器短时运行，然后关断，并重复这种操作。这种过程可能随处进行重复，频率从几百次/秒到仅仅一次/秒。因为所需功率可能超过单节 AA 电池的峰值容量，另一种解决方案是增高至更高电压，然后在两次突发之间将电荷存储在电容中。如此，电容可以在突发期间放电，然后再重新充电。 

 

图 3 所示为一个峰值脉冲供电系统示例应用。 

 

图 3：峰值脉冲供电系统

 

图 3 所示为一个峰值脉冲供电系统示例应用。

 

在此应用中，负载为 5W，恒定保持 100µs（例如 IR LED），初始电压为 5V，按 1.0ms 为间隔重复。MP3424 对一节 AA 电池进行升压，采用 1.5µH 电感，以及一个 220µF 电解输出存储电容。开关频率固定为 580kHz，输出电流限值设置为 0.3A 恒定值，以为输出电容充电。采用放电电容电源提供恒定 5W，并得出一条放电曲线（参见图 4）。该模拟曲线中包含电容的 30mΩ 串行电阻。 

 

图 4：放电曲线

 

注意，MP3424 可以在放电期间升压，但在本例中，MP3424 被禁用，负载电流由电容单独提供。由于输出功率是恒定的，且负载源极电压下降，所以电流提供的电源会随时间增加。放电之后，电容的电压约为 4.5V。

 

电容通过启用 MP3424（具备 300mA 恒定电流输出）来充电。使用 dt = C x dV / I，可以计算得出充电时间为（220e - 6 x 0.5）/ 0.3 = 367µs，如此，可以在 1ms 周期时间内让电容重新达到 5V，且还具有多余时间。当输出电压达到 5.0V 时，MP3424 切换到低负载电流跳频（PFM）模式，帮助降低电池消耗。MP3424 的电流控制使电池在充电周期内的峰值电流保持在 1.5A 左右，可以防止 ESR 导致电池电压过度下降。

 

给超级电容充电

 

另一个高峰值电流应用要求在两次放电之间保持长时间充电，以免造成电池消耗。这种特殊应用要求功率恒定为 2.0W，放电时间为 500ms，并在首次放电之后进行时长 2 秒的二次放电。之后，该系统可以闲置一个月。图 2 中同样的 MP3424 电路的输出为 5V 时，可以与 0.5F 超级电容（SC）配对，获得更长的放电时间。超级电容拥有更高的 ESR（约为 0.4Ω），所以降压稳压器的输入端存在压降。在放电期间，此压降约为 0.25V。截止电压为约 4.1V，在 1 秒充电时间内存在 300mA 恒定电流。放电时间和充电时间为 1.5 秒时，可以达到实现 2 秒周期时间的条件。

 

由于 MP3424 的输出和检测引脚存在泄漏，所以在设备被禁用（以保护电池）时，超级电容会在一个月内保持非活动放电。对于这种应用，输出 P 通道开关管会将 SC 和升压电路隔离开来，并由微控制器用来启动放电/充电周期的使能信号来实施控制。单个封装中的 N 通道和 P 通道组合通过使能高信号来实施开关，将超级电容的关断泄漏降低至低于 50nA。图 5 显示了整个电路。 

 

图 5：超级电容为电路充电，以实现峰值脉冲功率

 

结论

 

对于电源功率有限的应用，例如低压电池，在升压 DC/DC 调节器中采用可编程恒定电流模式非常有用。使用升压转换器上的开关引脚提供单独的电源输入，同时采用小型辅助电源偏置该设备，以发挥电池电源的所有潜在功率。

 

 

免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。

 

推荐阅读：