一種車載筆記本電源適配器的設(shè)計(jì) - 全文

引 言

　　信息社會(huì)的高速發(fā)展使人們對(duì)筆記本電腦的依賴與日俱增，希望能隨時(shí)隨地獲取信息，但筆記本電腦的使用時(shí)間總是不盡人意。有了車載電源，無(wú)論是在公路上，還是在野外，用戶均不必?fù)?dān)心自己的電腦因電力不足而無(wú)法工作。目前，市面上不少車載電源，是先將汽車蓄電池的12 V電壓升高到AC220 V，再通過(guò)電腦本身的適配器給筆記本供電。但是，兩次電壓變換導(dǎo)致效率降低，汽車蓄電池的電量很快被用光，導(dǎo)致車上其它用電設(shè)備工作異常。本設(shè)計(jì)是將汽車點(diǎn)煙器輸出的12 V直流電源直接轉(zhuǎn)換為可供絕大多數(shù)型號(hào)筆記本使用的19 V電壓，可調(diào)整的范圍在±0。5 V。輸入電壓的范圍在10 V～15 V。即使輸入電壓有較大的波動(dòng)，輸出電壓也有較好的調(diào)節(jié)能力。

　　1? 升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

　　汽車點(diǎn)煙器輸出的直流電壓為12 V，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)也不超過(guò)13 .8 V，低于筆記本電腦通常所需的19 V電壓。利用升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)完成電壓的轉(zhuǎn)換，基本電路如圖1 所示，它由電源開(kāi)關(guān)T、二極管D、儲(chǔ)能電感L 和濾波電容C 組成。電感不斷充放電，感應(yīng)電壓加到電源電壓上由此產(chǎn)生的輸出電壓就高于汽車點(diǎn)煙器所提供的電壓。

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圖1? 升壓轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)

　　升壓轉(zhuǎn)換電路可看作受兩個(gè)開(kāi)關(guān)控制，電源開(kāi)關(guān)S 和二極管D。在任何特定時(shí)間內(nèi)只允許其中一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，電路的兩種工作狀態(tài)如圖2 所示。

　　(1)S 導(dǎo)通，D 截止時(shí):輸入直流電源UIN經(jīng)電感線圈L 和開(kāi)關(guān)S 形成IIN電流通路。直流電源向電感充電，電感L 的電流線性增加，電能以磁能形式存儲(chǔ)在線圈中。此時(shí)，二極管D 反偏，輸出負(fù)載電流IOUT由原來(lái)存儲(chǔ)在電容C 上的能量來(lái)提供，如圖2(a)所示。

　　(2)S 截止，D 導(dǎo)通時(shí):由于電感L 中的電流不能躍變，將在線圈中感應(yīng)出如圖2 (b)所示的反極性感生電壓。因此，感生電壓的極性為左負(fù)右正。此時(shí)的二極管D 進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，原來(lái)在S 導(dǎo)通期間存儲(chǔ)在電感線圈中的能量通過(guò)二極管D 提供給電容C 和負(fù)載RL 。C 在此階段充電的能量在下一個(gè)S 截止的期間提供給負(fù)載RL 。

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圖2? 升壓轉(zhuǎn)換器的原理:接通階段(a)和關(guān)閉階段(b)

　　令電源開(kāi)關(guān)S 占空比為D1 ，二極管D 占空比為D2 。由于在任何時(shí)刻只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，則:

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　　輸入電壓記為UIN，輸出電壓記為UOUT。若S 導(dǎo)通，輸入電源電壓將被電感吸收，在S 上不會(huì)產(chǎn)生壓降。如果D 導(dǎo)通時(shí)間足夠長(zhǎng)，電感L 可看作短路，也不會(huì)有壓降。忽略二極管正向?qū)▔航?，UIN和UOUT的關(guān)系推導(dǎo)如下:

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　　由于D1 <1 ，因此，輸出電壓大于輸入電壓。另外，兩個(gè)開(kāi)關(guān)還能調(diào)節(jié)輸出電壓。若輸出電壓高于19 V，則必須迫使輸出電壓下降。S 導(dǎo)通，D 截止使得電容和負(fù)載脫離電路的其它部分。此時(shí)，電容充當(dāng)負(fù)載的電源。放電使得電容兩端的電壓降低，即降低了輸出電壓。若輸出電壓低于19 V，那么必須提高輸出電壓。使S 截止，D 導(dǎo)通，電流流經(jīng)二極管D、電容C和負(fù)載RL形成回路。由于電流向電容充電，使得電容兩端的電壓增加，使輸出電壓也增加。

　　2? PWM 控制

　　升壓轉(zhuǎn)換器中的電源開(kāi)關(guān)S，用一個(gè)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功率MOSFET 管實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖2 。在柵極加上一系列脈沖后，功率管將不斷地處于通斷交替的狀態(tài)，改變通斷的時(shí)間比率，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。假設(shè)一個(gè)周期為t ，t =tON時(shí)，脈寬調(diào)制脈沖的正脈沖被送到功率管的柵極，K導(dǎo)通;當(dāng)t =tOFF時(shí)，送到K管上的調(diào)制脈沖變成零伏或負(fù)偏壓，S 處于截止?fàn)顟B(tài)。

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　　上式表明了輸出電壓UOUT和功率管開(kāi)關(guān)時(shí)間之間的關(guān)系。由于tOFF時(shí)間較短，采用低功耗的二極管和電容，使其不超過(guò)安全工作區(qū)，否則，可能會(huì)導(dǎo)致器件過(guò)熱而損壞。該升壓轉(zhuǎn)換器的電流和電壓波形如圖3 所示。

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圖3? 占空比50 %時(shí)電壓和電流波形

　　波形(3)顯示電感線圈的紋波電流，增大線圈的尺寸能降低紋波，但同時(shí)也增加了器件的物理尺寸。線圈不能太小，否則無(wú)法在MOSFET 截止時(shí)提供足夠的能量，使輸出電壓的調(diào)節(jié)能力變差。本設(shè)計(jì)用到的線圈為56 μH。

　　所有的控制功能由Unitrode 公司生產(chǎn)PWM 芯片UC3843 來(lái)完成，它具有反饋電壓比較、誤差放大、脈寬調(diào)制、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能[4]。該芯片為功率管產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)輸出的電壓和電流信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷和調(diào)整輸出電壓。輸入和輸出電壓在一系列低功耗的電容作用下變得平滑。主要電路如圖4 所示。輸入端并聯(lián)的四個(gè)大容量電解電容(C1 ～C4 )起到電源濾波的作用，C5用來(lái)濾除電路工作時(shí)產(chǎn)生的高頻諧波成分。線圈L1是由幾個(gè)不同長(zhǎng)度漆包線并聯(lián)，以減少表面對(duì)高速轉(zhuǎn)換的影響。大功率開(kāi)關(guān)元件K1采用IR 公司的IRL2505 ，該器件的源極/漏極電阻在工作時(shí)只有8 mΩ，故功耗非常低。肖特基二極管D1采用TO220 的封裝，最大工作電壓為45 V，正向?qū)▔航禐?。63 V 時(shí)的電流為16 A。低ESR 的電解電容C6 ～C9用于平滑輸出電壓，減小紋波電壓。電容C10用于高頻去耦。輸出電壓由R1 、R2 、R3和P1分壓，送入IC1的電壓反饋輸入端。IC 的時(shí)鐘頻率由RC 網(wǎng)絡(luò)R8和C13決定，工作頻率約為42kHz 。由R12 、C15和C16構(gòu)成的電源去耦電路以確保IC1工作的可靠性。

　　3? 測(cè) 試

　　電源適配器在正常運(yùn)行時(shí)各電量及效率見(jiàn)表1 。

　　其高效率(通常是95 %)不但能降低汽車電池的負(fù)荷，同時(shí)也降低了適配器內(nèi)部的功耗。PCB 尺寸比筆記本本身的電源適配器要小。

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圖4? 主電路原理圖

表1? 測(cè)試結(jié)果及效率

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　　4? 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種車載電源12 V DC/19 V DC 解決方案，利用汽車蓄電池為筆記本電腦提供持續(xù)電力。

　　該方案不僅能滿足普通用戶自駕游出行時(shí)的需求，也能使行業(yè)用戶如公路、工商、稅務(wù)稽查、公安與地質(zhì)等野外汽車流動(dòng)作業(yè)隨時(shí)保證筆記本電腦的供電，充分發(fā)揮筆記本電腦的無(wú)線辦公特性。

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