一款戶外開關電源的設計、仿真與實驗研究*

胡治偉，郭震寧，楊菲菲

（華僑大學 信息學院 光電系，福建 廈門361021）

開關電源是通過控制開關管開通與關斷的時間比率來維持電壓穩定輸出的一種電源[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電源。筆記本電腦隨著社會經濟的發展應用愈加廣泛，但其功耗無法進一步降低及電池容量上的局限，直接影響其戶外的應用。現在主流筆記本電腦電池一般只能工作2小時左右，在沒有交流電源的戶外，工作時長要求一直是筆記本電腦使用者的困擾。因此，本文設計的戶外開關電源，結合柔性非晶硅太陽能電池弱光性好、便攜可折疊、價格低廉的特點[2]，可以很好地解決該困擾。

1 系統設計要求

根據筆記本電腦電池、適配器等相關參數，確定開關電源恒壓輸出Vout為19.6 V，最大功率在65 W左右，輸出紋波小于0.02 Vout。根據太陽能電池輸出電壓特性，確定開關電源為降壓-升壓（Buck-Boost）拓撲結構，因此本文選定凌力爾特公司生產的一款高性能降壓-升壓開關型芯片LTC3780。它可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下運行；其恒定頻率電流模式架構提供了一個高達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縫切換，LTC3780成為汽車、電信和電池供電型系統的理想選擇[3]。

2 電路結構及工作原理分析

圖1所示電路結構運用了4個NMOS開關（Q1、Q2、Q3、Q4）的同步整流技術，該技術采用通態電阻極低的電力MOSFET來取代整流二極管，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→儲能電感L1→NMOS管Q3→負載Rload。R7和R8構成分壓取樣電路，取樣電壓經Vosense反饋輸入后，LTC3780根據反饋電壓的大小調整開關信號的占空比[3]，從而實現電壓輸出穩定。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NMOS管的不同開關狀態決定了電路的不同工作方式。現結合基本Buck、Boost拓撲結構對比分析該戶外電源電路結構中的4個NMOS管同步整流工作原理。

2.1 降壓（Buck）工作方式

圖2（a）為Buck拓撲結構，NMOS管Q工作在開關狀態（導通與截止），Q導通時，整流二極管D截止，儲能電感L的電流增量為；Q關斷截 止時，D導通，忽略D的導通壓降，則電感L的電流增量為當達到穩定時，Δi++Δi-=0，由此得Vout=其中占空比，由于0

圖2 基本Buck拓撲與LTC3780開關簡化示意圖

圖3 LTC3780降壓模式時4個NMOS管驅動波形

圖4 LTC3780降壓模式時Q1、Q2實測波形

2.2 升壓（Boost）工作方式

圖5（a）為Boost拓撲結構，NMOS管Q工作在開關狀態（導通與截止），Q導通時，整流二極管D截止，儲能電感L的電流增量為；Q關斷截止時，D導通，忽略D的導通壓降，則電感L的電流增量為當達到穩定時，Δi++Δi-=0，由此得，由于0

圖5 基本Boost拓撲與LTC3780開關簡化示意圖

圖6 LTC3780升壓模式時4個NMOS管驅動波形

圖7 LTC3780升壓模式時Q3、Q4實測波形

3 仿真結果及分析

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

圖8 仿真結果

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

表1 不同負載、不同模式下的紋波水平

本文針對筆記本電腦在戶外無法長時間使用而設計了一款戶外開關電源，采用LTspice IV能方便、快速地仿真開關電源電路中的各點工作波形并分析電源輸出隨負載的變化。仿真結果表明，該款戶外開關電源開關響應快，上升和穩定過程短；實物模擬測試結果表明，負載電流越大，該戶外電源輸出電壓紋波越大，總體紋波大小在不同負載、不同模式下符合設計要求。

[1]李定宣.開關穩壓電源設計與應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]張旭鵬，楊盛文，張金玲.非晶硅薄膜電池應用及前景分析[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].電氣電子教學學報，2007（1）：27-29.

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

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