多路輸出車載逆變器設(shè)計(jì)分析

　　為滿足車載逆變器可以同時為多個用電設(shè)備充電的需求，設(shè)計(jì)了一款多路輸出的車載逆變器，該逆變器包括220V交流電輸出和USB雙路輸出結(jié)構(gòu)。介紹了車載逆變器的工作原理，研究了結(jié)合LM2596進(jìn)行穩(wěn)壓的方法，提出了使用RH7902結(jié)合該逆變器進(jìn)行雙路輸出的方案。同時，利用saber仿真軟件對輸出電壓和輸出電流進(jìn)行仿真，并搭載了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：電源各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

　　隨著時代的進(jìn)步和發(fā)展，汽車早已成為人們?nèi)粘Ｉ畹拇焦ぞ?。人們在開車工作、學(xué)習(xí)、旅游的同時，離不開很多實(shí)用的電子產(chǎn)品，比如充電寶、平板電腦、相機(jī)、迷你音箱、USB臺燈、桌面式風(fēng)扇、USB暖手寶等等，這些電子產(chǎn)品都需要通過5V的USB接口來充電，而傳統(tǒng)的車載逆變器只有220V交流電輸出，考慮到充電器的充電頭體積大、不環(huán)保、不安全等因素，本文重點(diǎn)研究了車載逆變器的雙USB輸出設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果良好。

　　1 220V交流電輸出

　　1.1 推挽正激

　　推挽正激式DC/DC升壓電路適合由低壓向高壓直流的變換，具有效率較高，電磁干擾較小，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。推挽式開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的，它在輸入電壓很低的情況下仍能維持足夠大的功率輸出，因此，該設(shè)計(jì)采用推挽正激直流升壓電路。

　　圖1為推挽正激電路原理圖。

　　變壓器原邊由兩個開關(guān)管、兩個原邊繞組和一個嵌位電容組成。線圈兩端接開關(guān)管TL494控制兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通，變壓器副邊由全橋電路和RLC電路組成。變壓器副邊電壓為正半周時，對D1、D4加正向電壓，D1、D4導(dǎo)通;對D2、D3加反向電壓，D2、D3截止，形成上正下負(fù)的半波整流電壓;U1為負(fù)半周時，對D2、D3加正向電壓，D2、D3導(dǎo)通;對D1、D4加反向電壓，D1、D4截止，形成上正下負(fù)的半波整流電壓。兩個開關(guān)管在TL494發(fā)出的PWM信號的觸發(fā)下來回導(dǎo)通，在繞組兩端形成相位相反的交流電壓。開關(guān)管關(guān)斷時，嵌位電容釋放漏感，降低開關(guān)管的電壓尖峰。12V直流電壓由變壓器升壓為方波電壓，再經(jīng)過整流濾波得到需要的直流電壓。

　　2 全橋逆變

　　逆變電路是逆變器的核心。逆變電路結(jié)構(gòu)形式主要有半橋式和全橋式兩種。半橋式逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，但電壓利用率低，交流輸出的電壓幅值僅為直流輸出電壓的一半，要輸出同等功率大小的電能，主變壓器原邊的電流要加大一倍，彌補(bǔ)電壓利用率不足的缺點(diǎn)。由于全橋式逆變電路有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，本設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路。

　　如圖2是單相電壓型全橋逆變電路。它可看作由兩個半橋電路組合而成，四個開關(guān)管組成了兩對橋臂，互為對角的兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)管交替導(dǎo)通，當(dāng)開關(guān)Q1、Q4閉合，Q2、Q3斷開：0=Ud;開關(guān)Q1、Q4斷開，Q2、Q3閉合：U0=-Ud。這樣，就將直流電壓逆變成交流電壓，選擇PWM控制芯片TL494來控制開關(guān)的占空比，從而改變整流電壓的平均值，即改變了輸出電壓。

　　2.1 12V-5V穩(wěn)壓

　　LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，可固定輸出3.3V、5V、12V三種電壓，也可實(shí)現(xiàn)在1.2~37V之間的可調(diào)輸出。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更簡化了LM2596的使用，極大地簡化了電路的設(shè)計(jì)。在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi);可以用僅80μA的待機(jī)電流實(shí)現(xiàn)外部斷電，同時具有自我保護(hù)電路。

　　12V轉(zhuǎn)5V的方式常見的有三種：

　　第一種，用兩個電阻分壓。但是如果用電阻分壓的話，需要考慮負(fù)載端的等效電阻對分壓值的影響。這種方法常見于電壓采集，不用于能量提供;

　　第二種，也是普遍使用的方法，使用三端穩(wěn)壓器（如LM7805芯片）來實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓;

　　第三種，通過使用LM2596這種開關(guān)穩(wěn)壓芯片來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。這種方法常用于一些對能耗管理比較嚴(yán)格的場合，如手持設(shè)備等。本設(shè)計(jì)采用第三種方法。

　　如圖3是應(yīng)用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596的典型電路圖。

　　輸入電容CIN的作用是防止在輸入端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓;前饋電容CFF的作用是來對反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償和增加相位裕量以提高環(huán)路的穩(wěn)定度;輸出電容COUT作用是提高環(huán)路的穩(wěn)定性;R1、R2分壓反饋輸出比較，用于輸出穩(wěn)壓。在LM2596的應(yīng)用中，需要一個吸納二極管來為電感電流提供通路，由于肖特基二極管開關(guān)速度快、正向壓降小，特別適合在輸出電壓低的場合下應(yīng)用。因此，本設(shè)計(jì)采用1N5824，最大正向連續(xù)電流是5A，反向耐壓30V，符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)通電時，電流正常流過，當(dāng)關(guān)閉時，電感里儲存的電連接二極管放電，保證了電路永不斷電。

　　2.1.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

　　CFF與電阻R2并聯(lián)，作用是使電路更加穩(wěn)定。尤其適用于低輸入-輸出電壓的情況。　　電感電壓與微秒的乘積：

　　2.2 雙USB智能識別

　　如圖4所示為雙USB智能識別電路。RH7902是USB充電協(xié)議端口控制IC，工作電壓范圍在4.5～5.5V之間，可自動識別充電設(shè)備類型，并通過對應(yīng)的USB充電協(xié)議與設(shè)備握手，使之獲得最大充電電流，在保護(hù)充電設(shè)備的前提下節(jié)省充電時間。同時支持多種USB充電協(xié)議，各充電協(xié)議自動切換。圖4中電阻R的主要作用是限流，防止前級供電的輸出電壓過沖到5V以上造成芯片的損壞，建議取值R=750Ω左右;電容C的主要作用是補(bǔ)償R對電源紋波的影響。如定義為5W充電器，將DP與USB接口的D-端、DM與USB接口的D+端連接;如定義為10W充電器，將DP與USB接口的D+端、DM與USB接口的D-端連接。5W的USB輸出接口適用于手機(jī)等用電設(shè)備充電，10W的USB輸出接口適用于平板電腦等用電設(shè)備充電。本設(shè)計(jì)很好的兼容了不同規(guī)格的用電設(shè)備，使充電安全、高效、便捷。

　　3 仿真與實(shí)驗(yàn)

　　依據(jù)上述方案利用saber仿真軟件進(jìn)行了仿真，如圖5、制作了車載逆變器，并利用數(shù)字示波器測量了220V輸出電壓的波形和USB輸出電壓波形。如圖8、圖9。

　　圖5所示為帶負(fù)載充電情況下兩路USB輸出的電壓電流波形圖。5W接口輸出5V-1A的電壓和電流;10W接口輸出5V 2.4A的電壓和電流。圖7所示為逆變器實(shí)物模型，圖8所示為逆變器220V正弦交流電壓輸出實(shí)驗(yàn)，頻率為50Hz左右，電壓波形平滑，諧波失真小，抗干擾能力強(qiáng)，有較強(qiáng)的應(yīng)用穩(wěn)定性和可靠性。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一款多路輸出的車載逆變器，由于采用了RH7902智能識別芯片，大大簡化了電路的設(shè)計(jì)，并且很好的兼容了許多不同規(guī)格的用電設(shè)備，使充電穩(wěn)定，響應(yīng)速度快。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測試，該款車載逆變器可同時給三個用電設(shè)備充電，解決了普通車載逆變器一次只能給一個用電設(shè)備充電的難題，有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。