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一種基于TPS61022的恒定且可調(diào)輸出功率的加熱單元供電方案

發(fā)布時(shí)間:2020-01-10 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】這篇博客給出了一種加熱單元的供電解決方案,主要包括一節(jié)鋰電池,一個(gè)升壓電路(TPS61022)和一個(gè)加熱電阻(2 Ω)。這個(gè)解決方案支持最高12.5W(5V/2.5A)輸出,并且功率連續(xù)可調(diào)。通過(guò)在加熱單元里加入一個(gè)升壓電路,可以使得加熱單元獲得更高和更穩(wěn)定的輸出電壓。同時(shí),這個(gè)方案帶有輸出功率連續(xù)可調(diào)的功能,使得加熱單元的設(shè)計(jì)更加靈活。
 
1 加熱單元的介紹
 
加熱單元的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括鋰電池,相關(guān)充電電路和接口;加熱電阻絲;中央控制器(MCU)和氣流檢測(cè)的傳感器等。一般情況下電阻絲的阻值一般在0.4 Ω~2.8 Ω左右。傳統(tǒng)的方法是利用電池直接給電阻加熱的方式,也可以在電池和電阻之間串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)管調(diào)節(jié)輸出功率。但是,這種方法最大的輸出功率會(huì)受到電池電壓限制的,同時(shí)因?yàn)殡姵仉妷翰环€(wěn)定,造成輸出功率的不穩(wěn)定。
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80037466
圖1 加熱單元的基本結(jié)構(gòu)
 
2 TPS61022 介紹
 
TPS61022 是一個(gè)支持從鋰電池輸入,輸出15W(5V/3A)的一顆升壓芯片。它在全溫度范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)電流的谷值最小值6.5A。TPS61022有較小的導(dǎo)通電阻,下開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻是12mΩ,上開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻是18mΩ。所以它有比較高的效率,比如在Vin=3.6V, Vout=5V,Iout=2.5A的情況下整機(jī)效率大概95%。同時(shí),TPS61022的典型啟動(dòng)帶載能力為1Ω,所以它可以支持大部分加熱單元的煙嘴電阻阻值啟動(dòng)。TPS61022 的工作開(kāi)關(guān)頻率是1MHz,封裝是2mm*2mm VQFN,可以幫助客戶(hù)獲得較小的設(shè)計(jì)面積。
 
3 系統(tǒng)介紹
 
加熱單元的供電電路如圖2所示??梢酝ㄟ^(guò)PWM調(diào)制EN引腳實(shí)現(xiàn)輸出功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。通過(guò)把MODE引腳連接到GND(低電平)使得TPS61022工作在輕載高效的模式,可以在輕載下獲得更高的效率。根據(jù)TPS61022的應(yīng)用手冊(cè)[1],選擇1μH的電感,輸出采用3顆22μF的陶瓷電容??梢詫CU的GPIO與EN引腳連接,通過(guò)調(diào)整輸出PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出的功率。整個(gè)系統(tǒng)的好處是輸出功率穩(wěn)定,不受輸入電壓變化的影響。
 
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圖2 通過(guò)TPS61022實(shí)現(xiàn)加熱單元的供電電路圖
 
4 測(cè)試結(jié)果
 
圖3是工作在Vin=3.6V,占空比50%下的穩(wěn)態(tài)波形圖。TPS61022可以通過(guò)調(diào)制EN引腳實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率的目的。當(dāng)EN引腳為高電平,TPS61022首先會(huì)軟啟動(dòng),開(kāi)始工作;當(dāng)EN引腳為低電平,TPS61022會(huì)關(guān)機(jī)。通過(guò)TPS61022不斷的開(kāi)啟關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)控制平均輸出功率的目的。建議使用PWM的頻率為100Hz。
 
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圖3 TPS61022穩(wěn)態(tài)波形
 
圖4的表示了輸出功率隨著PWM占空比的變化曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)中可以看出,輸出功率和占空比的關(guān)系并不是線(xiàn)性的。因?yàn)門(mén)PS61022存在軟起動(dòng)的過(guò)程。在占空比是100%,輸出功率為12.5W,滿(mǎn)負(fù)載工作。當(dāng)占空比為50%時(shí),輸出功率為5.6W。用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率,進(jìn)而調(diào)節(jié)加熱單元的口感。
 
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圖4輸出功率與占空比的關(guān)系曲線(xiàn)
 
圖5表示了效率和PWM的占空比的變化曲線(xiàn)。測(cè)試的輸入電壓為3.6V。從曲線(xiàn)中可以看出,系統(tǒng)的整機(jī)效率為95%在滿(mǎn)載輸出功率下(5V/12.5W)。
 
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圖5 效率與占空比的關(guān)系曲線(xiàn)
 
圖6和圖7顯示了不同占空比下的溫升。圖6顯示芯片的溫升是19.6℃,在Vin=3.6V輸出功率12.5W(滿(mǎn)載功率)。圖7顯示芯片的溫升是13.6℃,在Vin=3.6V輸出功率3W(50%PWM占空比)。溫升均在可以接受的范圍內(nèi)。
 
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