單節(jié)電池(如鋰離子/聚合物)的額定電壓低于 5V，不適合 5V 邏輯應用(如為 Arduino 板供電)。此外，電池電壓會隨著使用時間的推移而下降。第一個解決方案可能是使用簡單的 LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)或降壓/升壓轉換器。使用 LDO 的問題在于 LDO 適合將電壓調節(jié)到低于電池電壓的水平(如 3.3V)。同樣，降壓轉換器適合構建較低的電壓。解決方案似乎是使用 DC-DC 升壓轉換器，但是，當輸入和輸出電壓差較小且電流處理、電路板尺寸和效率很重要時，簡單的升壓轉換器無法解決問題。

元件制造商試圖通過引入專門為此類應用而設計的元件來解決此問題。我在下文中使用了一個微型 SOT23-6 MP3120 芯片來設計一個 0.8V-5V 至 5V 的 DC-DC 轉換器。轉換器的開關頻率固定為 1.1MHz，因此應遵循幾個設計要求以保證電路穩(wěn)定運行。該芯片的效率高達 96%，對于如此高的開關頻率來說，這是一個有趣的數字。

電路分析

圖 1 顯示了該設備的原理圖。很明顯，電路的核心是 MP3120 芯片，有趣的是，它可以承受 5V 的輸入電壓，輸出也是 5V。該芯片不需要任何外部肖特基二極管，從而降低了 PCB 布局的復雜性。

圖 1：MP3120 DC-DC 轉換器原理圖

根據 MP3120 1的數據表: “MP3120 是一款高效同步、電流模式升壓轉換器。該設備可以將單節(jié)或兩節(jié) AA 電池升壓至 5V。MP3120 可以從低至 0.8V 的輸入電壓啟動，并提供浪涌電流限制以及輸出短路保護。集成的 P 溝道同步整流器開關可提高效率，并且無需外部肖特基二極管。當 EN 為低時，P-MOS 將斷開輸出與輸入的連接。此輸出斷開功能允許輸出完全放電，從而使部件在關斷模式下吸收不到 1uA 的關斷電流。1.1MHz 開關頻率允許使用更小的外部元件;內部補償和軟啟動最大限度地減少了外部元件數量;所有這些都有助于為各種負載電流提供緊湊的解決方案。

MP3120 具有集成功率 MOSFET，支持高達 5V 的輸出和典型的 1.2A 開關電流。即使輸入電壓高于輸出電壓，該設備也可以保持輸出電壓穩(wěn)定?！?

制造商已計算并發(fā)布了 3.3V 輸出電壓的效率圖表(圖 2)。當輸入電壓為 3V(紅色曲線)且輸出電流約為 500mA 時，芯片的性能最佳。當然，在最大輸出電流附近，效率會下降。當輸入電壓高于輸出時，記錄到的性能最差，這證實了該芯片是為高效升壓電池而設計的，而不是降壓轉換器。

圖2：MP3120的效率圖(輸出：3.3V)

C2 和 C3 是旁路電容，用于降低輸入噪聲并穩(wěn)定轉換器。R1 和 C1 構建 RC 緩沖電壓，以保護 IC1 的內部 MOSFET。C4、C5 和 C5 是輸出電容，用于降低噪聲并穩(wěn)定轉換器。C4 應盡可能靠近芯片放置。R3 和 R5 以及反饋電阻。D1 是 0805 LED，用于指示輸出端是否存在正確的電壓。

PCB 布局

圖 3 顯示了設計的 PCB 布局。這是一塊雙層 PCB 板。我將 PCB 的底層接地。頂層的某些部分也被接地層覆蓋。重要的 PCB 網絡(尤其是承載大電流或連接長度應最短的網絡)已使用銅層而不是 PCB 軌道進行連接。這種技術使開關電流更容易流動，從而降低了 EMI 和輸出噪聲。

圖 3：MP3120 DC-DC 轉換器的 PCB 布局

我在關鍵區(qū)域(例如電容器的接地引腳)放置了一些 VIA，以減少接地路徑的長度并最大限度地降低噪聲/增強穩(wěn)定性。電感器應盡可能靠近 VC 引腳放置，輸出電容器應盡可能靠近 OUT 引腳放置(尤其是 C4)。輸入和輸出端子應放置在 PCB 板的同一邊緣，正如我在本設計中遵循的那樣。您只需將 2 針 2.5 毫米公頭焊接到輸入端，將相同的接頭焊接到輸出端。

圖 4 顯示了 PCB 板的 3D 視圖。如果您有計劃自己構建一個，可以從參考資料部分的此鏈接2下載 Gerber 和 NCDrill 文件。圖 5 顯示了設備的接線圖。

圖 4：MP3120 DC-DC 轉換器 PCB 的 3D 視圖

圖5：PCB板接線圖

20240706_6689152860a1b__如何使用 1.2A 96% 效率的 DC-DC 升壓轉換器，使用單個電池驅動 5V 負載