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

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。

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)開關(guān)電流的谷值最小值6.5A。TPS61022有較小的導(dǎo)通電阻，下開關(guān)管的導(dǎo)通電阻是12mΩ，上開關(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 的工作開關(guān)頻率是1MHz，封裝是2mm*2mm VQFN，可以幫助客戶獲得較小的設(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^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[1]，選擇1μH的電感，輸出采用3顆22μF的陶瓷電容。可以將MCU的GPIO與EN引腳連接，通過調(diào)整輸出PWM的占空比來調(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。

圖2 通過TPS61022實(shí)現(xiàn)加熱單元的供電電路圖

4 測試結(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)，開始工作；當(dāng)EN引腳為低電平，TPS61022會(huì)關(guān)機(jī)。通過TPS61022不斷的開啟關(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。

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。從曲線中可以看出，輸出功率和占空比的關(guān)系并不是線性的。因?yàn)門PS61022存在軟起動(dòng)的過程。在占空比是100%，輸出功率為12.5W，滿負(fù)載工作。當(dāng)占空比為50%時(shí)，輸出功率為5.6W。用戶可以通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來調(diào)節(jié)輸出功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)加熱單元的口感。

圖4輸出功率與占空比的關(guān)系曲線

圖5表示了效率和PWM的占空比的變化曲線。測試的輸入電壓為3.6V。從曲線中可以看出，系統(tǒng)的整機(jī)效率為95%在滿載輸出功率下（5V/12.5W）。

圖5 效率與占空比的關(guān)系曲線

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)。

圖6 占空比100%下的熱成像圖

圖7 占空比50%下的熱成像圖

審核編輯：郭婷