關于移動設備高效率充電的研究

摘 要：針對現在開關電源進行了研究與改進，主要改進體現在減小電路本身的損耗，并給出減小紋波的新方法。通過實際電路測試，該設計能夠在原有開關電源電路的基礎上，實現更小的損耗，更高的效率，更穩定的直流電壓。能夠為現代移動設備進行更高效率的電源供給，解決了現代充電系統充電效率低、能量浪費嚴重的問題。

關鍵詞：DC-DC；開關電源；紋波；效率

引言

在現代電子電力技術中，電源技術是重中之重，因為供電系統的質量是整個系統穩定性的前提[1]。而在電源技術中，開關電源占有很重要的地位[2～5]。開關電源是以開關器件為核心器件，通過PWM波脈寬調制輸出量的電源系統。它把一種等級的電壓（電流）轉換為另一個等級的電壓（電流）[6，7]，分為升壓電路和降壓電路，應用在不同的場合。文章所研究的電路是在簡單的DC-DC雙向變換電路的基礎上提出改進方法，使之能夠擁有更高的效率，更小的紋波。能夠應用在手機、筆記本等充電設備。

1 開關器件損耗分析

在傳統boost-buck電路中，開關斷開期間利用續流二極管為電感續流，這種模式稱為異步整流方式，通常采用肖特基二極管，這種二極管在電壓降低時通路電阻比較大，損耗比較大。與之相比，MOSFET的通態電阻要小很多，帶來的損耗也相對較小，并且功率MOSFET管的對頻率響應更快，輸入阻抗更高。所以，采用功率MOSFET代替傳統肖特基二極管是一種有效減小功率損耗的辦法。

功率MOSFET的功耗主要由三個部分引起：寄生電容充放電損耗、通態電阻損耗和等效二極管導通損耗。

因為Cgd和Cgs的存在，對直流來說相當于斷路，使得從G端看去，輸入阻抗很大，D、S間的通態電阻表現為Rd和Rcha之和。

寄生電容損耗： 。其中，f為開關電源的頻率，C為寄生電容等效值，V為電容兩端等效電壓。

功率MOSFET通態電阻功耗：Pds=IRds其中，I0為通態電流（輸出負載電流），Rds是等效電阻，大小為：Rds=Rd+Rcha

等效二極管導通損耗：Pd=I0Vd。其中，I0為通態電流（輸出負載電流），Vd為二極管導通壓降。

在實際應用中，功率MOSFET通態電阻功耗占主要部分，所以，下面的分析僅僅介紹通態損耗所帶來的影響以及解決辦法。

假設I0=2A，接下來對比功率MOSFET和續流二極管的功耗：

若采用續流二極管整流，消耗功率為：P=I0Vd=0.7I0=1.4W

若采用功率MOSFET代替續流二極管，消耗功率為：Prds=IRds=0.028W

由上式對比可知，單個MOSFET的功耗在同等條件下遠遠小于續流二極管的功耗，將其應用在電路中將會大大提高變換器的效率。

2 元器件選擇

電路設計功能如下：

（1）buck模式，30V降為21V，電流穩定在2A，電壓波動不超過0.5V。

（2）boost模式，21V升為30V，電流穩定在2A，電壓波動不超過0.5V。

下面以buck模式為例進行分析。

電路采用PWM脈寬調制的方法實現雙向DCDC的功能，PWM脈沖產生采用TL494芯片，該芯片包含了開關電路所需要的全部功能。

電感值的計算，在側重點不同的時候，相應的電感值計算方法也不同，這里采用折中的計算方法：L=（V_o（1-V_o/（V_in-V_on）））/（f*dI）

其中，Vin是輸入電壓，Vo是輸出電壓，f是開關頻率，Io是直流輸出電流，dI是紋波電，Von是開關器件導通壓降。

電容值的計算：C=V_0/8Ldl（1-D）/f^2。其中，L是濾波電感量，D是PWM波的占空比。

根據設計的要求，可求出電感L=2.5mH，電容C=450uF。

3 電路設計

采用同步整流的方法設計電路，使得電路本身功耗較小，但是用一片芯片同時驅動兩個開關管會使得脈沖電壓上升慢，造成兩只開關管同時導通，電路會瞬間短路，所以PWM波要經過驅動電路才能驅動開關管穩定工作。

驅動芯片選用IR公司生產的IR2110芯片，它兼有體積小、速度快的優點。標準功耗1.25W，驅動電流可以達到2A，功耗低，驅動能力強。輸出為兩路互補波，中間有極小的死區存在，能有效的防止兩路功率管同時導通，增大了電路的安全性。

4 實驗結果分析

參數設置為Vin=30V，f=50kHz，L=2.5mH，C=420uF，結果表明，該電路能夠有效地減小紋波，使輸出電壓更穩定。

功耗分析：輸入功率為：30V*2A=60W

功率管損耗功率為：Pr=4IRds=0.007W

其中Is為單個功率管通過的電流。驅動電路的標準功耗為1.25W，忽略其他損耗，則整個電路的損耗為1.257W，經計算，整個電路的效率可以達到97.9%。

5 結束語

對傳統DCDC電路進行改進，得到一種性能優良的電路，測試數據表明，該電路能夠在參數設置的范圍實現穩定的輸出電壓、高效的輸出效率，并能夠抑制紋波，使之比參數設置時更小。實驗結果表明，采用多只功率管并聯的方法能夠有效地減小因功率管所產生的損耗。

參考文獻

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