如何设计升压DC-DC Boost转换器

步骤1：简介

袖珍升压转换器是一个DC-DC Boost转换器，可从单节碱性电池产生5 V或3.3 V的电源电压。使用1xAA电池时，输出电流可以高达75 mA（保持3.3 V输出），并一直放电至0.9 V。

袖珍升压转换器利用了德州仪器（TI）的TPS61070。它的典型启动电压指定为1.1 V（最坏情况下的启动电压为1.2 V）（因为几乎空的碱性电池的开路电池电压约为1.1 V）。但是，一旦启动，它就可以在《0.9 V的电压下工作。输出电压由外部电阻反馈分压器编程。如果采用袋装升压转换器，则使用两个不同的外部电阻器网络，以便在5 V至3.3 V之间进行选择。

在低负载电流下，TPS61070进入节能模式以保持低功耗。在较宽的负载电流范围内具有很高的效率。另外，为防止转换器出现故障，如果电源电压低于0.8 V（单个AA电池无法实现），则欠压锁定功能会关闭设备。

TPS61070在大多数单电池升压应用。尽管在某些情况下，放电的电池端子电压可能会低于设备的启动电压，但一旦断开负载，电池电压便很容易恢复到1.1 V以上。因此，即使在这些端电压下电池能量最小时，TPS61070也不会有再次启动的麻烦。

无论电池化学性质如何，碱性，镍镉（NiCd）或镍氢金属（NiMH） ），实际应用中的电池放电表现出恒定的功率放电而不是恒定的电流放电。当接近放电即将结束时，这会缩短电池在较低电压下的寿命，从而进一步降低电池电压（在恒定功率放电期间，放电电流会随着端子电压的降低而增加，以向负载提供相同的功率）。但是，一旦断开负载或关闭设备，电池电压就会恢复到更高的电压（通常高于1.1 V）。

步骤2：技术规范

最小启动电压-1.2 V（一旦启动，它可能会在0.9 V下运行）

启动所需的预充电电流-30 mA @ 1.2 V至135 mA @ 5V

静态电流-19 µA（典型值）

支持0.9 V至4.5 V的输入电压-（例如，一节，两节或三节碱性，NiCd或NiMH，或单节锂离子或锂聚合物电池）

输出电压：3.3 V或5 V（+/- 1％）-由电压选择开关选择

1xAA碱性电池的输出-3.3 V @ 75 mA（典型值）或，1x锂离子电池的输出或3.3V电源-5 V @ 200 mA（典型值）

输出电压纹波：10 mV Vpp （理论值）。有关测试值，请参见“测试”部分

开关电流：600 mA（典型值）

开关频率：1.2 MHz（典型值）

功能：

90％效率

省电模式可在低输出功率时提高效率

关机期间断开负载

过热保护

步骤3：设计电路

研究了TPS61070数据表的设计指南和示例之后，进行了以下原理图设计创建。添加了一个JST连接器以适应不同类型的输入，还添加了一个电压选择开关（可在5 V和3.3 V之间切换）和2x2公头连接器，以与BreadBoard接口。 TPS61070 IC的使能引脚已连接到输入电压，以始终保持ON配置。 ［可在GitHub上找到示意图］

步骤4：电路板设计

一旦原理图设计完成，就该设计电路板了。在布置董事会时需要耐心和创造性的思考。在决定最佳设计之前，准备好进行多次迭代。这是设计Pocket Step-Up Converter时遵循的设计过程示例。 ［Board Design文件可在GitHub上获得。

a。）BreadBoard兼容性-决定Pocket Step-Up Converter应该与标准BreadBoard的Power Rails匹配。需要进行仔细的测量，以使割台能够紧贴面包板中。幸运的是，可以从我们的BreadBoard电源-完全组装中获得尺寸。这些电源导轨之间的距离距离底部导轨的原点为41.34 mm，或者为1650 mils（在EAGLE术语中）

b。）反向安装LED-由于整个板将面朝下使用，因此只有电池架可见在上面;无法确保电路已接通电源或不供电。因此，决定使用反向安装LED，使其通过电路板顶部一侧的孔发光。反向安装LED可能会穿过单节电池座的两个安装孔发光。另外，还有一个跳线（SJ1）用于启用/禁用此LED。因此，可以进一步降低电流消耗。

c。）JST连接器-这已成为将LiPo电池连接到板上的标准。因此，决定使用此连接器。我们知道该JST连接器也可以用于SparkFun的2xAA电池座。这两个输入都可以为您的大电流项目提供足够的输出电流（驱动电机仍在很远的地方）。设计团队添加了JST连接器的两个变体-通孔版本和SMD版本。它使我们减少了对单个组件的依赖，此外，通孔还可以容纳从兼容输入直接焊接到板上的电线。

板载JST连接器可提供其他输入源，例如2xAA电池座，单节锂聚合物电池（典型3.7 V）

d。）布局注意事项-选择了双层配置。输入电容器，输出电容器和电感器应尽可能靠近IC放置。如下图所示，超宽和短走线用于主电流路径和接地走线，以控制稳定性和EMI问题。这些大的铜焊盘还可以通过改善印刷电路板的功耗来增强散热性能。

步骤5：计算

以下是升压转换器的基本配置，其中开关集成在所使用的IC（此处为TPS61070）中。

在TPS61070中，二极管被低Rds（ on）集成到转换器中的PMOS开关。因此，可以忽略二极管的计算。

计算功率级需要以下参数：

i。）最小输入电压Vin（min）-0.9 V

ii。）期望的输出电压，Vout = 5 V

iii。）最大输出电流，Iout（max）= 100 mA，（期望）

a。）计算占空比

我们首先计算最小输入电压为0.9 V的占空比D。

D = 1-［{Vin（min）*η}/{Vout}］

其中，D =占空比

Vin（min）=最小输入电压（这将导致最大开关电流）

Vout =所需的输出电压

η=转换器的效率。对于TPS61070，η= 90％。

因此，

D = 1-［{0.9 V * 0.9}/{5 V}

D = 0.838

上面的图片中有所有带详细说明的公式，因为编辑器不允许使用数学公式。

步骤6：测试

已进行以下测试：

（i。）从单个碱性电池（Duracell®）施加输入电压= 1.491 V。

（ii。）选择负载为200Ω，1/4瓦电阻（串联2x100Ω电阻）。

（iii。）通过电压选择开关选择3.3 V，并在200Ω负载上进行测量，得出输出电流为16.40 mA。

（iv。）在各个100Ω电阻上进行的测量得出输出电流分别为16.35 mA和16.44 mA。

（v。）因此，输出功率= 3.280 V * 16.4 mA = 53.792 mW

纹波电压（Vpp）计算：

空载时3.3 V = 50 mV

100Ω负载时为3.3 V = 68 mV

无负载时5 V = 150 mV

100Ω负载时为5 V = 168 mV

施加100Ω负载电阻，我们得到：

在3.3 V时的输出电流= 30.10 mA，

并且在5 V时的输出电流= 46.40 mA

第7步：应用程序

袖珍升压转换器可用作便携式电源，用于为大多数涉及微控制器，传感器等的项目供电。但是，要提供必要的电流来驱动高扭矩直流电动机或伺服电动机。