如何從單節(jié)鋰離子電池產(chǎn)生高壓？

對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說，處理需要從低電壓到高電壓的應(yīng)用程序可能會(huì)非常艱巨。但是，如果我們對(duì)磁學(xué)和電源架構(gòu)有基本的了解，則不必如此。

一些需要從低電壓獲得高電壓的更常見應(yīng)用包括手機(jī)充電器；備用電源；用于電視、顯示器、激光器、復(fù)印機(jī)和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器等消費(fèi)類應(yīng)用的低成本多電源。

最簡(jiǎn)單的解決方案是使用反激式轉(zhuǎn)換器，它在輸入和輸出之間使用電流隔離，可以轉(zhuǎn)換 AC/DC 或 DC/DC。反激式基本上是一個(gè)升降壓轉(zhuǎn)換器，其中設(shè)置了電感器以形成變壓器。在設(shè)計(jì)中，變壓器用于倍增電壓，但也很有用，因?yàn)樗黾恿烁綦x設(shè)計(jì)的好處。例如，當(dāng)在輸入和輸出處使用浪涌抑制部件時(shí)，通過全線隔離，它有助于在所有模式下連續(xù)過濾電源線噪聲或保護(hù)敏感電路甚至人體在觸摸設(shè)備時(shí)免受沖擊。

當(dāng)反激轉(zhuǎn)換器的初級(jí)開關(guān)閉合時(shí)，變壓器的初級(jí)側(cè)連接到輸入電壓源。隨著電流和磁通量的增加，能量存儲(chǔ)在變壓器中。當(dāng)初級(jí)開關(guān)打開時(shí)，變壓器中的能量衰減并且變壓器的次級(jí)側(cè)電壓變?yōu)檎?，允許電流從變壓器流過正向偏置二極管。能量為輸出電容充電，輸出電容為負(fù)載點(diǎn)供電。

這種操作允許轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生比電壓源更大的電壓輸出，而無需大量額外的電路、組件或復(fù)雜性。變壓器的匝數(shù)比和占空比決定了輸出電壓的大小。反激式轉(zhuǎn)換器可以是電壓模式或電流模式，但電流模式更常見，因?yàn)樗菀追€(wěn)定。兩種架構(gòu)都需要能夠在不破壞電流隔離的情況下測(cè)量輸出電壓（如果不需要電流隔離，則可以使用簡(jiǎn)單的分壓器）；有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。一種常見的方法是在次級(jí)側(cè)使用光耦合器。低成本應(yīng)用中常用的另一種方法是使用初級(jí)側(cè)電壓，通過直接監(jiān)控或使用第二個(gè)繞組進(jìn)行監(jiān)控。

為了演示反激式轉(zhuǎn)換器的操作并支持我們客戶的設(shè)計(jì)，我們構(gòu)建了用于高壓激光閃存驅(qū)動(dòng)器的 TI Designs Low V IN小型反激式參考設(shè)計(jì)（圖 1）。該設(shè)計(jì)是一種 1.2W 隔離反激式設(shè)計(jì)，支持 3.3V 至 6V 的極低 V IN并且能夠在 120V 輸出時(shí)提供 10mA。該設(shè)計(jì)采用LM3481升壓控制器集成電路 (IC)，在電流模式下工作，可同步到 100 KHz 和 1 MHz 之間的任何頻率。

LM3481器件是一款多功能低側(cè)N-FET高性能控制器，用于開關(guān)穩(wěn)壓器。該器件適用于需要低側(cè)FET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如升壓，反激，SEPIC等。 LM3481器件可以在極高的開關(guān)頻率下工作，以減小整體解決方案的尺寸。通過使用單個(gè)外部電阻或?qū)⑵渑c外部時(shí)鐘同步，可將LM3481器件的開關(guān)頻率調(diào)整為100kHz至1MHz之間的任何值。除逐周期電流限制外，電流模式控制還提供卓越的帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)。可通過單個(gè)外部電阻對(duì)電流限制進(jìn)行編程。

LM3481器件具有內(nèi)部保護(hù)功能，如熱關(guān)斷，短路保護(hù)和過壓保護(hù)。省電關(guān)斷模式可將總電源電流降至5μA，并允許電源排序。內(nèi)部軟啟動(dòng)限制了啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。

10引腳VSSOP封裝

內(nèi)部推挽式驅(qū)動(dòng)器具有1 A峰值電流能力

電流限制和熱關(guān)斷

使用電容器和電阻器優(yōu)化頻率補(bǔ)償

內(nèi)部軟啟動(dòng)

電流模式操作

可調(diào)節(jié)欠壓鎖定帶滯后

輕負(fù)載下的脈沖跳躍

該設(shè)計(jì)建立在兩層板上，是一種簡(jiǎn)單、低物料清單、低成本的設(shè)計(jì)，可提供隔離輸出。由于它通常是整個(gè)解決方案中最昂貴的部分，因此在兩層印刷電路板 (PCB) 上開發(fā)設(shè)計(jì)有助于減少基于消費(fèi)者的應(yīng)用中的系統(tǒng)實(shí)施挑戰(zhàn)。

圖 1：用于高壓激光閃光的低輸入電壓、小尺寸反激式參考設(shè)計(jì)

該參考設(shè)計(jì)使用可支持 3V 至 42V 輸入電壓的器件。通過定制設(shè)計(jì)，可以提高輸出電壓和額定功率。有關(guān)整體系統(tǒng)效率，請(qǐng)參見圖 2。

圖 2：使用LM3481升壓控制器的效率

LM3481升壓控制器非常適合反激式設(shè)計(jì)，因?yàn)樗叨褥`活、易于設(shè)計(jì)并提供較小的解決方案尺寸。