一种基于TPS61022的恒定且可调输出功率的加热单元供电方案

这篇博客给出了一种加热单元的供电解决方案，主要包括一节锂电池，一个升压电路（TPS61022）和一个加热电阻（2 Ω）。这个解决方案支持最高12.5W（5V/2.5A）输出，并且功率连续可调。通过在加热单元里加入一个升压电路，可以使得加热单元获得更高和更稳定的输出电压。同时，这个方案带有输出功率连续可调的功能，使得加热单元的设计更加灵活。

1 加热单元的介绍

加热单元的基本结构如图1所示，主要包括锂电池，相关充电电路和接口；加热电阻丝；中央控制器（MCU）和气流检测的传感器等。一般情况下电阻丝的阻值一般在0.4 Ω~2.8 Ω左右。传统的方法是利用电池直接给电阻加热的方式，也可以在电池和电阻之间串联一个开关管调节输出功率。但是，这种方法最大的输出功率会受到电池电压限制的，同时因为电池电压不稳定，造成输出功率的不稳定。

图1 加热单元的基本结构

2 TPS61022 介绍

TPS61022 是一个支持从锂电池输入，输出15W（5V/3A）的一颗升压芯片。它在全温度范围内开关电流的谷值最小值6.5A。TPS61022有较小的导通电阻，下开关管的导通电阻是12mΩ，上开关管的导通电阻是18mΩ。所以它有比较高的效率，比如在Vin=3.6V， Vout=5V，Iout=2.5A的情况下整机效率大概95%。同时，TPS61022的典型启动带载能力为1Ω，所以它可以支持大部分加热单元的烟嘴电阻阻值启动。TPS61022 的工作开关频率是1MHz，封装是2mm*2mm VQFN，可以帮助客户获得较小的设计面积。

3 系统介绍

加热单元的供电电路如图2所示。可以通过PWM调制EN引脚实现输出功率的动态调节。通过把MODE引脚连接到GND（低电平）使得TPS61022工作在轻载高效的模式，可以在轻载下获得更高的效率。根据TPS61022的应用手册[1]，选择1μH的电感，输出采用3颗22μF的陶瓷电容。可以将MCU的GPIO与EN引脚连接，通过调整输出PWM的占空比来调节输出的功率。整个系统的好处是输出功率稳定，不受输入电压变化的影响。

图2 通过TPS61022实现加热单元的供电电路图

4 测试结果

图3是工作在Vin=3.6V，占空比50%下的稳态波形图。TPS61022可以通过调制EN引脚实现调节输出功率的目的。当EN引脚为高电平，TPS61022首先会软启动，开始工作；当EN引脚为低电平，TPS61022会关机。通过TPS61022不断的开启关闭，实现控制平均输出功率的目的。建议使用PWM的频率为100Hz。

图3 TPS61022稳态波形

图4的表示了输出功率随着PWM占空比的变化曲线。从曲线中可以看出，输出功率和占空比的关系并不是线性的。因为TPS61022存在软起动的过程。在占空比是100%，输出功率为12.5W，满负载工作。当占空比为50%时，输出功率为5.6W。用户可以通过调节PWM的占空比来调节输出功率，进而调节加热单元的口感。

图4输出功率与占空比的关系曲线

图5表示了效率和PWM的占空比的变化曲线。测试的输入电压为3.6V。从曲线中可以看出，系统的整机效率为95%在满载输出功率下（5V/12.5W）。

图5 效率与占空比的关系曲线

图6和图7显示了不同占空比下的温升。图6显示芯片的温升是19.6℃，在Vin=3.6V输出功率12.5W（满载功率）。图7显示芯片的温升是13.6℃，在Vin=3.6V输出功率3W（50%PWM占空比）。温升均在可以接受的范围内。

图6 占空比100%下的热成像图

图7 占空比50%下的热成像图

审核编辑：郭婷