0 引 言
信息社會的高速發(fā)展使人們對筆記本電腦的依賴與日俱增,，希望能隨時隨地獲取信息,，但筆記本電腦的使用時間總是不盡人意。有了車載電源,，無論是在公路上,，還是在野外，用戶均不必擔(dān)心自己的電腦因電力不足而無法工作,。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,。