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电压电容电流车载笔记本中升压转换器的工作原理及应用

信息社会的高速发展使人们对笔记本电脑的依赖与日俱增,希望能随时随地获取信息,但笔记本电脑的使用时间总是不尽人意。有了车载电源,无论是在公路上,还是在野外,用户均不必担心自己的电脑因电力不足而无法工作。目前,市面上不少车载电源,是先将汽车电池的12 V电压升高到AC220 V,再通过电脑本身的适配器给笔记本供电。但是,两次电压变换导致效率降低,汽车蓄电池的电量很快被用光,导致车上其它用电设备工作异常。本设计是将汽车点烟器输出的12 V直流电源直接转换为可供绝大多数型号笔记本使用的19 V电压,可调整的范围在±0。5 V。输入电压的范围在10 V~15 V。即使输入电压有较大的波动,输出电压也有较好的调节能力。

1 升压转换器的工作原理

汽车点烟器输出的直流电压为12 V,即使在发动机运行时也不超过13 .8 V,低于笔记本电脑通常所需的19 V电压。利用升压转换器来完成电压的转换,基本电路如图1 所示,它由电源开关T、二极管D、储能电感L 和滤波电容C 组成。电感不断充放电,感应电压加到电源电压上由此产生的输出电压就高于汽车点烟器所提供的电压。

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图1 升压转换器电路结构

升压转换电路可看作受两个开关控制,电源开关S 和二极管D。在任何特定时间内只允许其中一个开关闭合,电路的两种工作状态如图2 所示。

(1)S 导通,D 截止时:输入直流电源UIN经电感线圈L 和开关S 形成IIN电流通路。直流电源向电感充电,电感L 的电流线性增加,电能以磁能形式存储在线圈中。此时,二极管D 反偏,输出负载电流IOUT由原来存储在电容C 上的能量来提供,如图2(a)所示。

(2)S 截止,D 导通时:由于电感L 中的电流不能跃变,将在线圈中感应出如图2 (b)所示的反极性感生电压。因此,感生电压的极性为左负右正。此时的二极管D 进入正向导通状态,原来在S 导通期间存储在电感线圈中的能量通过二极管D 提供给电容C 和负载RL 。C 在此阶段充电的能量在下一个S 截止的期间提供给负载RL 。

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图2 升压转换器的原理:接通阶段(a)和关闭阶段(b)

令电源开关S 占空比为D1 ,二极管D 占空比为D2 。由于在任何时刻只有一个开关导通,则:

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输入电压记为UIN,输出电压记为UOUT。若S 导通,输入电源电压将被电感吸收,在S 上不会产生压降。如果D 导通时间足够长,电感L 可看作短路,也不会有压降。忽略二极管正向导通压降,UIN和UOUT的关系推导如下:

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由于D1 <1 ,因此,输出电压大于输入电压。另外,两个开关还能调节输出电压。若输出电压高于19 V,则必须迫使输出电压下降。S 导通,D 截止使得电容和负载脱离电路的其它部分。此时,电容充当负载的电源。放电使得电容两端的电压降低,即降低了输出电压。若输出电压低于19 V,那么必须提高输出电压。使S 截止,D 导通,电流流经二极管D、电容C和负载RL形成回路。由于电流向电容充电,使得电容两端的电压增加,使输出电压也增加。

2 PWM 控制

升压转换器中的电源开关S,用一个工作在开关状态的功率MOSFET 管实现,见图2 。在栅极加上一系列脉冲后,功率管将不断地处于通断交替的状态,改变通断的时间比率,就可以调节输出电压的大小。假设一个周期为t ,t =tON时,脉宽调制脉冲的正脉冲被送到功率管的栅极,K导通;当t =tOFF时,送到K管上的调制脉冲变成零伏或负偏压,S 处于截止状态。

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上式表明了输出电压UOUT和功率管开关时间之间的关系。由于tOFF时间较短,采用低功耗的二极管和电容,使其不超过安全工作区,否则,可能会导致器件过热而损坏。该升压转换器的电流和电压波形如图3 所示。

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图3 占空比50 %时电压和电流波形

波形(3)显示电感线圈的纹波电流,增大线圈的尺寸能降低纹波,但同时也增加了器件的物理尺寸。线圈不能太小,否则无法在MOSFET 截止时提供足够的能量,使输出电压的调节能力变差。本设计用到的线圈为56 μH。

所有的控制功能由Unitrode 公司生产PWM 芯片UC3843 来完成,它具有反馈电压比较、误差放大、脉宽调制、过流保护、欠压保护等功能[4]。该芯片为功率管产生脉宽调制信号,通过检测输出的电压和电流信号来控制开关管的通断和调整输出电压。输入和输出电压在一系列低功耗的电容作用下变得平滑。主要电路如图4 所示。输入端并联的四个大容量电解电容(C1 ~C4 )起到电源滤波的作用,C5用来滤除电路工作时产生的高频谐波成分。线圈L1是由几个不同长度漆包线并联,以减少表面对高速转换的影响。大功率开关元件K1采用IR 公司的IRL2505 ,该器件的源极/漏极电阻在工作时只有8 mΩ,故功耗非常低。肖特基二极管D1采用TO220 的封装,最大工作电压为45 V,正向导通压降为0。63 V 时的电流为16 A。低ESR 的电解电容C6 ~C9用于平滑输出电压,减小纹波电压。电容C10用于高频去耦。输出电压由R1 、R2 、R3和P1分压,送入IC1的电压反馈输入端。IC 的时钟频率由RC 网络R8和C13决定,工作频率约为42kHz 。由R12 、C15和C16构成的电源去耦电路以确保IC1工作的可靠性。

3 测 试

电源适配器在正常运行时各电量及效率见表1 。

其高效率(通常是95 %)不但能降低汽车电池的负荷,同时也降低了适配器内部的功耗。PCB 尺寸比笔记本本身的电源适配器要小。


图4 主电路原理图

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表1 测试结果及效率

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4 结束语

本文提出了一种车载电源12 V DC/19 V DC 解决方案,利用汽车蓄电池为笔记本电脑提供持续电力。

该方案不仅能满足普通用户自驾游出行时的需求,也能使行业用户如公路、工商、税务稽查、公安与地质等野外汽车流动作业随时保证笔记本电脑的供电,充分发挥笔记本电脑的无线办公特性。

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