多路輸出車載逆變器設計

王立鵬

摘要：為滿足車載逆變器可以同時為多個用電設備充電的需求，設計了一款多路輸出的車載逆變器，該逆變器包括220V交流電輸出和USB雙路輸出結構、，介紹了車載逆變器的工作原理，研究了結合LM2596進行穩壓的方法，提出了使用RH7902結合該逆變器進行雙路輸出的方案、，同時，利用saber仿真軟件對輸出電壓和輸出電流進行仿真，并搭載了實驗模型進行驗證，結果表明：電源各項指標達到設計要求，有較強的實用性和可靠性。

關鍵詞：車載逆變器；LM2596；RH7902；saber

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.013

引言

隨著時代的進步和發展，汽車早已成為人們日常生活的代步工具。人們在開車工作、學習、旅游的同時，離不開很多實用的電子產品，比如充電寶、平板電腦、相機、迷你音箱、USB臺燈、桌面式風扇、USB暖手寶等等‘”，這些電子產品都需要通過5V的USB接口來充電，而傳統的車載逆變器只有220V交流電輸出，考慮到充電器的充電頭體積大、不環保、不安全等因素，本文重點研究了車載逆變器的雙USB輸出設計，并進行了仿真和實驗，實驗效果良好。

1 220V父流電輸出

l.l 推挽正激

推挽正激式DC/DC升壓電路適合由低壓向高壓直流的變換，具有效率較高，電磁干擾較小，可靠性好等優點。推挽式開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的，它在輸入電壓很低的情況下仍能維持足夠大的功率輸出，因此，該設計采用推挽正激直流升壓電路。

圖1為推挽正激電路原理圖。變壓器原邊由兩個開關管、兩個原邊繞組和一個嵌位電容組成。線圈兩端接開關管TL494控制兩個開關管交替導通，變壓器副邊由全橋電路和RLC電路組成。變壓器副邊電壓為正半周時，對D1、D4加正向電壓，D1、D4導通：對D2、D3加反向電壓，D2、D3截止，形成上正下負的半波整流電壓；U1為負半周時，對D2、D3加正向電壓，D2、D3導通：對D1、D4加反向電壓，D1、D4截止，形成上正下負的半波整流電壓。兩個開關管在TL494發出的PWM信號的觸發下來回導通，在繞組兩端形成相位相反的交流電壓。開關管關斷時，嵌位電容釋放漏感，降低開關管的電壓尖峰。12V直流電壓由變壓器升壓為方波電壓，再經過整流濾波得到需要的直流電壓I2）。

1.2 全橋逆變

逆變電路是逆變器的核心。逆變電路結構形式主要有半橋式和全橋式兩種。半橋式逆變電路結構簡單，但電壓利用率低，交流輸出的電壓幅值僅為直流輸出電壓的一半，要輸出同等功率大小的電能，主變壓器原邊的電流要加大一倍，彌補電壓利用率不足的缺點。由于全橋式逆變電路有較強的帶負載能力，本設計采用全橋逆變電路。

如圖2是單相電壓型全橋逆變電路。它可看作由兩個半橋電路組合而成，四個開關管組成了兩對橋臂，互為對角的兩個開關管同時導通，同一側半橋上下兩開關管交替導通，當開關Q1、Q4閉合，Q2、Q3斷開：O=Ud；開關Q1、Q4斷開，Q2、Q3閉合：UO=-Ud。這樣，就將直流電壓逆變成交流電壓，選擇PWM控制芯片TL494來控制開關的占空比，從而改變整流電壓的平均值，即改變了輸出電壓[3]。

2 USB雙路輸出

2.1 12V-5V穩壓

LM2596開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性，可固定輸出3.3V、5V、12V三種電壓，也可實現在1.2-37V之間的可調輸出。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150KHz，與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標準電感，這更簡化了LM2596的使用，極大地簡化了電路的設計。在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內，振蕩頻率誤差在±1 5%的范圍內；可以用僅80 vA的待機電流實現外部斷電，同時具有自我保護電路I4）。12V轉5V的方式常見的有三種：

第一種，用兩個電阻分壓。但是如果用電阻分壓的話，需要考慮負載端的等效電阻對分壓值的影響。這種方法常見于電壓采集，不用于能量提供：

第二種，也是普遍使用的方法，使用三端穩壓器（如LM7805芯片）來實現線性穩壓：

第三種，通過使用LM2596這種開關穩壓芯片來實現穩壓。這種方法常用于一些對能耗管理比較嚴格的場合，如手持設備等。本設計采用第三種方法。 如圖3是應用開關電壓調節器LM2596的典型電路圖。輸入電容CIN的作用是防止在輸入端出現大的瞬態電壓；前饋電容CFF的作用是來對反饋環路進行補償和增加相位裕量以提高環路的穩定度；輸出電容COUT作用是提高環路的穩定性；R1、R2分壓反饋輸出比較，用于輸出穩壓。在LM2596的應用中，需要一個吸納二極管來為電感電流提供通路，由于肖特基二極管開關速度快、正向壓降小，特別適合在輸出電壓低的場合下應用。因此，本設計采用1N5824，最大正向連續電流是5A，反向耐壓30V，符合設計要求。當通電時，電流正常流過，當關閉時，電感里儲存的電連接二極管放電，保證了電路永不斷電。

2.1.1 主要參數設計

2.2 雙USB智能識別

如圖4所示為雙USB智能識別電路。RH7902是USB充電協議端口控制IC，工作電壓范圍在4.5-5.5V之間，可自動識別充電設備類型，并通過對應的USB充電協議與設備握手，使之獲得最大充電電流，在保護充電設備的前提下節省充電時間。同時支持多種USB充電協議，各充電協議自動切換。圖4中電阻R的主要作用是限流，防止前級供電的輸出電壓過沖到5V以上造成芯片的損壞，建議取值R=750 Ω左右：電容C的主要作用是補償R對電源紋波的影響。如定義為5W充電器，將DP與USB接口的D-端、DM與USB接口的D+端連接：如定義為10W充電器，將DP與USB接口的D+端、DM與USB接口的D-端連接。5W的USB輸出接口適用于手機等用電設備充電，10W的USB輸出接口適用于平板電腦等用電設備充電。本設計很好的兼容了不同規格的用電設備，使充電安全、高效、便捷。

3 仿真與實驗

依據上述方案利用saber仿真軟件進行了仿真[6]，如圖5、圖6。制作了車載逆變器，并利用數字示波器測量了220V輸出電壓的波形和USB輸出電壓波形。如圖7、圖8、圖9。

圖5、圖6所示為帶負載充電情況下兩路USB輸出的電壓電流波形圖。5W接口輸出5V-1A的電壓和電流：10W接口輸出5V 2.4A的電壓和電流。圖7所示為逆變器實物模型，圖8所示為逆變器220V正弦交流電壓輸出實驗，頻率為50Hz左右，電壓波形平滑，諧波失真小，抗干擾能力強，有較強的應用穩定性和可靠性。

4 結論

本文設計了一款多路輸出的車載逆變器，由于采用了RH7902智能識別芯片，大大簡化了電路的設計，并且很好的兼容了許多不同規格的用電設備，使充電穩定，響應速度快。經實際運行測試，該款車載逆變器可同時給三個用電設備充電，解決了普通車載逆變器一次只能給一個用電設備充電的難題，有較強的應用價值。

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