車載電源適配器解決方案

本設(shè)計是將汽車點煙器輸出的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，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

　　汽車點煙器輸出的直流電壓為12 V，即使在發(fā)動機運行時也不超過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)換器來完成電壓的轉(zhuǎn)換，基本電路如圖1 所示，它由電源開關(guān)T、二極管D、儲能電感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煙器所提供的電壓。

　　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開關(guān)控制，電源開關(guān)S 和二極管D。在任何特定時間內(nèi)只允許其中一個開關(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:輸入直流電源UIN經(jīng)電感線圈L 和開關(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在線圈中。此時，二極管D 反偏，輸出負載電流IOUT由原來存儲在電容C 上的能量來提供，如圖2(a)所示。

　　(2)S 截止，D 導(dǎo)通時: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右正。此時的二極管D 進入正向?qū)顟B(tài)，原來在S 導(dǎo)通期間存儲在電感線圈中的能量通過二極管D 提供給電容C 和負載RL 。C 在此階段充電的能量在下一個S 截止的期間提供給負載RL 。

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

　　令電源開關(guān)S 占空比為D1 ，二極管D 占空比為D2 。由于在任何時刻只有一個開關(guān)導(dǎo)通，則:

　　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 上不會產(chǎn)生壓降。如果D 導(dǎo)通時間足夠長，電感L 可看作短路，也不會有壓降。忽略二極管正向?qū)▔航担琔IN和UOUT的關(guān)系推導(dǎo)如下:

　　由于D1 <1 ，因此，輸出電壓大于輸入電壓。另外，兩個開關(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 截止使得電容和負載脫離電路的其它部分。此時，電容充當負載的電源。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)換器中的電源開關(guān)S，用一個工作在開關(guān)狀態(tài)的功率MOSFET 管實現(xiàn)，見圖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)，改變通斷的時間比率，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。假設(shè)一個周期為t ，t =tON時，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t =tOFF時，送到K管上的調(diào)制脈沖變成零伏或負偏壓，S 處于截止狀態(tài)。

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

　　圖3 占空比50 %時電壓和電流波形

　　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，但同時也增加了器件的物理尺寸。線圈不能太小，否則無法在MOSFET 截止時提供足夠的能量，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 來完成，它具有反饋電壓比較、誤差放大、脈寬調(diào)制、過流保護、欠壓保護等功能[4]。該芯片為功率管產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，通過檢測輸出的電壓和電流信號來控制開關(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)的四個大容量電解電容(C1 ～C4 )起到電源濾波的作用，C5用來濾除電路工作時產(chǎn)生的高頻諧波成分。線圈L1是由幾個不同長度漆包線并聯(lián)，以減少表面對高速轉(zhuǎn)換的影響。大功率開關(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 試

　　電源適配器在正常運行時各電量及效率見表1 。

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

　　圖4 主電路原理圖

　　表1 測試結(jié)果及效率

　　4 結(jié)束語

　　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)等野外汽車流動作業(yè)隨時保證筆記本電腦的供電，充分發(fā)揮筆記本電腦的無線辦公特性。