一款戶外開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)研究*

胡治偉，郭震寧，楊菲菲

（華僑大學(xué) 信息學(xué)院 光電系，福建 廈門361021）

開關(guān)電源是通過控制開關(guān)管開通與關(guān)斷的時(shí)間比率來(lái)維持電壓穩(wěn)定輸出的一種電源[1]，筆記本電腦電源適配器是將交流變換為直流的反激式開關(guān)電源。筆記本電腦隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展應(yīng)用愈加廣泛，但其功耗無(wú)法進(jìn)一步降低及電池容量上的局限，直接影響其戶外的應(yīng)用。現(xiàn)在主流筆記本電腦電池一般只能工作2小時(shí)左右，在沒有交流電源的戶外，工作時(shí)長(zhǎng)要求一直是筆記本電腦使用者的困擾。因此，本文設(shè)計(jì)的戶外開關(guān)電源，結(jié)合柔性非晶硅太陽(yáng)能電池弱光性好、便攜可折疊、價(jià)格低廉的特點(diǎn)[2]，可以很好地解決該困擾。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)筆記本電腦電池、適配器等相關(guān)參數(shù)，確定開關(guān)電源恒壓輸出Vout為19.6 V，最大功率在65 W左右，輸出紋波小于0.02 Vout。根據(jù)太陽(yáng)能電池輸出電壓特性，確定開關(guān)電源為降壓-升壓（Buck-Boost）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此本文選定凌力爾特公司生產(chǎn)的一款高性能降壓-升壓開關(guān)型芯片LTC3780。它可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下運(yùn)行；其恒定頻率電流模式架構(gòu)提供了一個(gè)高達(dá)400 kHz的可鎖頻率；憑借4 V～30 V（最大值為36 V）的寬輸入和輸出范圍以及不同操作模式間的無(wú)縫切換，LTC3780成為汽車、電信和電池供電型系統(tǒng)的理想選擇[3]。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理分析

圖1所示電路結(jié)構(gòu)運(yùn)用了4個(gè)NMOS開關(guān)（Q1、Q2、Q3、Q4）的同步整流技術(shù)，該技術(shù)采用通態(tài)電阻極低的電力MOSFET來(lái)取代整流二極管，能大大降低整流電路的損耗，提高DC/DC變換器的效率，滿足低壓、大電流整流器的需要[4]。電流的主要通路是：輸入電源V1→NMOS管Q1→儲(chǔ)能電感L1→NMOS管Q3→負(fù)載Rload。R7和R8構(gòu)成分壓取樣電路，取樣電壓經(jīng)Vosense反饋輸入后，LTC3780根據(jù)反饋電壓的大小調(diào)整開關(guān)信號(hào)的占空比[3]，從而實(shí)現(xiàn)電壓輸出穩(wěn)定。通過Vout=0.8（1+R7/R8）選定R7和R8阻值為282 kΩ和12 kΩ，通過帶載能力約為65 W確定Rsense（即圖中R1//R2）為20 mΩ。

圖1 DC/DC變換電路圖

4個(gè)NMOS管的不同開關(guān)狀態(tài)決定了電路的不同工作方式?，F(xiàn)結(jié)合基本Buck、Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比分析該戶外電源電路結(jié)構(gòu)中的4個(gè)NMOS管同步整流工作原理。

2.1 降壓（Buck）工作方式

圖2（a）為Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，NMOS管Q工作在開關(guān)狀態(tài)（導(dǎo)通與截止），Q導(dǎo)通時(shí)，整流二極管D截止，儲(chǔ)能電感L的電流增量為；Q關(guān)斷截 止時(shí)，D導(dǎo)通，忽略D的導(dǎo)通壓降，則電感L的電流增量為當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，Δi++Δi-=0，由此得Vout=其中占空比，由于0

圖2 基本Buck拓?fù)渑cLTC3780開關(guān)簡(jiǎn)化示意圖

圖3 LTC3780降壓模式時(shí)4個(gè)NMOS管驅(qū)動(dòng)波形

圖4 LTC3780降壓模式時(shí)Q1、Q2實(shí)測(cè)波形

2.2 升壓（Boost）工作方式

圖5（a）為Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，NMOS管Q工作在開關(guān)狀態(tài)（導(dǎo)通與截止），Q導(dǎo)通時(shí)，整流二極管D截止，儲(chǔ)能電感L的電流增量為；Q關(guān)斷截止時(shí)，D導(dǎo)通，忽略D的導(dǎo)通壓降，則電感L的電流增量為當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，Δi++Δi-=0，由此得，由于0

圖5 基本Boost拓?fù)渑cLTC3780開關(guān)簡(jiǎn)化示意圖

圖6 LTC3780升壓模式時(shí)4個(gè)NMOS管驅(qū)動(dòng)波形

圖7 LTC3780升壓模式時(shí)Q3、Q4實(shí)測(cè)波形

3 仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8（a）可以看出，該電源啟動(dòng)過程約為1.6 ms；如圖8（b）可以看出，約300 mV的最大電壓紋波出現(xiàn)在啟動(dòng)過程的上升階段，從最大紋波到穩(wěn)定在19.6 V歷時(shí)約為2 ms。

圖8 仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室采用直流電源模擬柔性非晶硅太陽(yáng)能電池，模擬不同光照條件（即不同輸入電壓和不同帶載要求）下的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示[6]。測(cè)試結(jié)果表明，輕負(fù)載下約為200 mV，重負(fù)載下約為350 mV，表明紋波隨輸出帶載能力不同而略有波動(dòng)，帶載要求越高，輸出電壓紋波越大，總體測(cè)試與仿真結(jié)果較為接近。

表1 不同負(fù)載、不同模式下的紋波水平

本文針對(duì)筆記本電腦在戶外無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間使用而設(shè)計(jì)了一款戶外開關(guān)電源，采用LTspice IV能方便、快速地仿真開關(guān)電源電路中的各點(diǎn)工作波形并分析電源輸出隨負(fù)載的變化。仿真結(jié)果表明，該款戶外開關(guān)電源開關(guān)響應(yīng)快，上升和穩(wěn)定過程短；實(shí)物模擬測(cè)試結(jié)果表明，負(fù)載電流越大，該戶外電源輸出電壓紋波越大，總體紋波大小在不同負(fù)載、不同模式下符合設(shè)計(jì)要求。

[1]李定宣.開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]張旭鵬，楊盛文，張金玲.非晶硅薄膜電池應(yīng)用及前景分析[J].光源與照明，2010（1）：39-41.

[3]Linear Tech公司.LTC3780 datasheet[DB/OL].[2013-01-06].http：//www.linear.com.

[4]黃海宏，王海欣，張毅.同步整流的基本原理[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007（1）：27-29.

[5]PRESSMAN A I，BILLINGS K.Switching power supply design（Third Edition）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6]沈超，付麗璋，吳世通.電源轉(zhuǎn)換模塊LTC3780的工作性能仿真分析[J].航天返回與遙感，2010（6）：58-65.