引 言

信息社會(huì)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(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(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(diǎn)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(gè)開關(guān)控制，電源開關(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(shí),，二極管D 反偏，輸出負(fù)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(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(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 ,。

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(shí)刻只有一個(gè)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(huì)產(chǎn)生壓降,。如果D 導(dǎo)通時(shí)間足夠長,，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:

由于D1 <1 ，因此,，輸出電壓大于輸入電壓,。另外，兩個(gè)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(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)換器中的電源開關(guān)S，用一個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的功率MOSFET 管實(shí)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(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)。

上式表明了輸出電壓UOUT和功率管開關(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，使其不超過安全工作區(qū),，否則,，可能會(huì)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(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 來完成,，它具有反饋電壓比較、誤差放大,、脈寬調(diào)制,、過流保護(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,，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(gè)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(shí)產(chǎn)生的高頻諧波成分,。線圈L1是由幾個(gè)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(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 試

電源適配器在正常運(yùn)行時(shí)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(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,。

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(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)揮筆記本電腦的無線辦公特性。