车载笔记本电源 论文.docx

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车载笔记本电源论文

载笔记本电源

摘要：

随着汽车工业的迅速发展，汽车电子越来越向集成化智能化靠拢，笔记本电脑为汽车上导航，娱乐，办公提供很大的方便。

普通笔记本电脑是通过电源适配器供电，而汽车上只能提供12V的电源，普通的逆变器虽然能提供220V左右的交流电，但却有效率低下，存在安全隐患等缺点。

针对车载蓄电池电源电压不稳定，输出电压使用范围窄等特点，设计了一种低成本的以MOSFET管为开关器件的DC/DC变换器，此设计将12V车载电源转换成可供大多数笔记本电脑使用的稳定的19V电源，输出电流可达到稳定4安。

关键字：

UC3843；DC/DC；车载笔记本电源；开关电源；滤波电路

1.设计任务与要求

1.1设计任务

笔记本电源输入一般为19V左右，而车用蓄电池输出为12V。

本设计要求电源输入范围为10-15V，输出电压为19V，输出电流最大可达4A。

允许使用集成电路，但不得使用商用电源模块。

1.2技术指标

1.2.1基本要求

（1）在12V输入，0-4A负载范围内输出电压范围保持在19±1V。

（2）在11-15V输入，3A电流输出时输出电压范围保持在19±1V。

（3）输入电压小于10V时自动关闭电源输出。

（4）输入电压大于16V时自动关闭电源输出。

1.2.2发挥部分

（1）无音频噪音。

（2）11-15V输入，0-4A输出的全负载范围内输出电压范围为19±0.5V。

1.3题目评析

随着社会经济的发展越来越多的用户拥有个人汽车，经常出差或则旅游的人很多时间都是在车上度过得，在车上的时间长了往往会使用笔记本看电影，用MP3听音乐等，但这些产品都采用电池供电，受供电时间的限制。

基于这个原因，本题目要求设计一台车用笔记本电源，可以将车载电源12V转换成19±0.5V用来给笔记本锂电池供电。

由于汽车使用率很高，电源在实际生产生活中又有很重要的应用，因此对于车用电源的研究是一个很有实际意义的课题。

2．方案比较与论证

2.1电源控制芯片比较

根据题目要求，通过电源控制芯片输出的脉冲控制开关管的通断，将电感上产生的反电动势叠加在输入电压上，使得输出电压的升高。

通过电源控制芯片占空比的调整，得到所需要的稳定的19V电压。

所以主控芯片的选择非常重要，以下是几种主控芯片的选择方案。

方案一：

选择芯片UC3842。

UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,是一种型性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。

UC3842有如下特点：

（1）它属于电流型单端PWN调制解调器，具有管脚数量少，外围电流简单，安装调试简便，性能优良，价格低廉等优点。

（2）最高开关功率为500HZ，频率稳定度为0.2%，电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管`,DMOS管,TMOS管。

（3）UC3842的启动电压为16V，关闭电压为10V，正常工作电压在16V至34V之间，工作频率可达500KHZ，十分适合于离线变换器。

以下是UC3842工作结构图：

UC3842电路结构图

方案二：

选择芯片UC3843。

UC3843是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设置，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。

这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。

以下是UC3843主要性能参数与特点：

（1）低开启电流和工作电流，启动电流小于1mA,工作电流小于1000mA。

（2）微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比。

（3）芯片中集成有快速补偿电流，单步脉冲控制电路。

（4）UC3843是专为低压应用设计的，低压锁定门限为：

8.5伏（通）和7.6v（断）。

（5）引脚少外围电路简单它的电压调整率可达0.01%V，非常接近线性稳压电源的调整率。

UC3843电路结构图

方案三：

TPS40210电流模式升压控制器芯片。

采用十脚封装，具有4.2V至52V宽频输入电压范围，带有电流模式控制功能，但由于集成度太高且散热性不良好不适于本方案。

由于本题目要求是将12V转换为19V的低压转换，因此我们选择了UC3843来作为我们的主控芯片。

2.2方案简介

2.2.1整机原理方框图

车用电源12V电压输入到输入电压保护电路，当输入电压小于10V时，整个电路处于关断状态，当输入电压大于10V时电压通过输入保护电路，将12V电源送到脉冲宽度调制电路，驱动升压电路得到19V电压，再通过输出保护电路输出稳定19V电压，供笔记本电脑使用。

图1电路原理方框图

2.2.1整机工作原理

整机工作电路图如图2所示

图2整机电路图

输入电压首先经过EMI电路进入主电路，EMI电路的作用一是防止电源本身的高频电磁干扰脉冲通过传导或辐射方式干扰公共线路上的其他电器设备，二是防止公共线路上的电磁脉冲干扰电源本身的工作。

输入电压进入主电路，先给UC3843供电，在获得启动电压后，UC3843开始工作，产生脉宽可调而频率固定的脉冲输出，推动开关功率管的导通和截止，由于开关管的通断作用将在电感上产生反电动势，输出电压是输入电压再叠加电感上的反电动势，使得输出电压增高。

再通过调节UC3843的输出占空比，得到所需要的稳定的19V输出电压。

UC3843的工作频率由其4脚外接的RC数值决定，改变RC值，使本电路脉冲约为170kHz。

UC3843还具有欠压过压保护功能，改变R4、R9电阻值，可设置不同的保护。

3．系统硬件设计

3.1主控芯片简介

UC3843是一款高性能电流模式控制器，实现对Boost升压斩波电路稳压输出。

UC3843具有微调的振荡器放电电流（可精确控制占空比）、电流模式工作频率（可到500kHz）、自动前馈补偿、锁存脉宽调制（可逐周限流）、内部微调的参考电压（带欠压锁定）、欠压锁定、低启动和工作电流等功能。

该系统电路主要包括整流滤波电路、DC-DC变换电路、过流保护电路、稳压反馈电路等模块。

内部原理见图3

图3内部原理方框图

3.1.1PWM信号发生及控制

振荡频率由定时元件RT的CT选择值决定。

电容CT由5V基准电压通过RT充电，充至2.8V，再由一个内部的电流源放电到1.2V。

在CT放电期间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电平，这导至输出为低状态，从面产生一个数量可控的输出静区时间。

其工作频率：

f=1/（Tc+Td）.档RT大于5K时，Td<

f=1/（0.55*Rt*Ct）=1.8/Rt*Ct芯片最大工作频率为500K

占空比：

先设定工作频率，计算RT、CT，再根据电阻器与图4查得。

图4占空比与定时电阻RT关系曲线

3.1.2电流取样比较器和脉宽调制锁存器

UC3843作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿PIN1建立的门限电平时中止，这样在逐周期基础上误差信号控制峰值电感电流。

所用的电流取样比较器-脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。

电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考的取样电阻RS转换成电压。

此电压由电流取样输入PIN3监视并与来年误差放大器的输出电平相比较。

此模块具有保护电路功能。

3.1.3输出驱动电路

芯片有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来直接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载下时，它能提供高达±1.0A的峰值驱动电流和典型值为50nS的上升、下降时间。

还附加一个内部电路，使得任务时间只要欠压锁定有效。

输出采用灌模式，不需要外部下接电阻。

3.2EMI电路

EMI电路的作用一是防止电源本身的高频电磁干扰脉冲通过传导或辐射方式干扰公共线路上的其他电器设备，二是防止公共线路上的电磁脉冲干扰电源本身的工作。

其电路图见图5。

这部分电路在开关电源中是必需的，如果忽略这部分电路，将不能通过电磁兼容性认证（如中国的“3C”和欧洲的CE认证）。

图5EMI电路

3.3开关电源升压原理

由于开关管的通断作用将在电感上产生反电动势，输出电压是输入电压再叠加电感上的反电动势，使得输出电压增高。

当开关管导通时，电流流经储能电感，此时电感处于非饱和状态，电流线性大，此时靠电容给负载供电。

当开关管截止时，由于电感内电流不能突变，此时电感内储存的能量用于给电容充电和提供负载工作所需。

改变开关管通断脉冲占空比可输出不同电压值。

原理如图6所示

图6开关电源升压原理图

3.4输入欠压保护电路

输入欠压保护电路如图所示，当输入电压高于10V时，基极电压高于发射极电压，三极管导通，继电器线圈得电，常闭触电跳开接至主电路，主电路得电工作。

当输入电压小于10V时，三极管不导通，继电器线圈不得电，常闭触电闭合，主电路断路停止工作。

图7输入欠压保护电路

3.5输入过压保护电路

输入过压保护电路如图所示，当输入电压低于16V时，基极电压与发射极电压压差小于0.7V，三极管不导通，继电器线圈不得点，常闭触电闭合接至主电路，主电路得电工作。

当输入电压大于16V时，三极管导通，继电器线圈得电，常闭触电跳开，主电路断路停止工作，起到了对电路的保护作用。

图8输入过压保护电路

3.6元器件的选择和制作

3.6.1储能电感的选择

储能电感是开关电源的关键元件，其设计和绕制工艺很大程度上决定开关电源的特性甚至制作的成败，对于大功率的开关电源，可选区EE-20的磁芯，材料可选MXO-2000导磁率为u=2000H/m，饱和磁通密度bs=400mT，最高工作频率可达500kHz，绕组参数参考电路图中的标注。

漆包线的线经及并绕股数一般应视输出电流而定，通常电流密度取J=2A/m2，应注意防止出现磁饱和而烧毁开关管，磁芯间隙应有0.2-0.8mm，可采取垫上数层绝缘材料解决。

3.6.2开关功率管的选择

开关功率管可采用高频特性好，低内阻的场效应晶体管。

开关管耐压值应考虑电感感生电动势，尽量选择高一点的耐压值，而导通电压应选取电压值低的，尽量使其工作在饱和区，以减少发热，提高效率。

功率管的最大漏极电流应考虑整个电源的输出功率，在这个电源中，输出电流较大，功率管上应安装合适的散热器。

3.6.3其他材料的选择

因为开关电源的工作频率较高，二极管应选用高频特性好的肖特基快恢复二极管，如UF4007、FR107等元件。

滤波电容的容量根据电源的输出功率而定，但必须选用质量好的元件。

3．系统总体测试

在软件仿真成功的基础上，我们制作实物图，按照题目要求进行测试，测试结果如下

3.1恒压数据

输入电压/V

输入电流

/A

输入功率

/W

输出电压

/V

输出电流

/A

输出功率/W

效率/%

12.1

0.93

11.2

19.01

0.5

9.50

84.7

12.1

1.81

22.3

18.98

1.0

18.9

84.9

12.0

2.96

35.8

18.95

1.6

30.3

84.8

12.1

3.72

44.5

18.94

2.0

37.9

85.1

12.0

5.73

68.8

18.92

3.1

58.6

85.2

12.0

7.42

89.0

18.90

4.0

75.6

84.9

3.2恒流数据

输入电压/V

输入电流

/A

输入功率

/W

输出电压

/V

输出电流

/A

输出功率/W

效率/%

11.0

6.09

67.0

18.97

2.98

56.5

84.3

12.1

5.51

66.7

18.99

2.97

56.4

84.6

13.0

5.16

67.0

19.02

2.98

56.6

84.5

14.0

4.82

67.5

19.03

3.02

57.5

85.1

15.1

4.44

67.1

19.05

3.01

57.3

85.4

4．参考文献

[1]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京:

电子工业出版社,2006.

[2]童诗白.华成英.模拟电子技术[M].北京:

高等教育出版社,2004.

[3]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例[M].北京:

人民邮电出版社,2007.

[4]黄正瑾.电子设计竞赛赛题解析[M].南京:

东南大学出版社,2003.

[5]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:

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[6]陈永真.全国大学生电子设计竞赛试题精解选[M].北京:

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[7]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训教程（2007年全国大学生电子设计竞赛试题剖析）[M].北京:

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[8]全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2005）[M].北京:

北京理工大学出版社,2007.

[9]全国大学生电子设计竞赛培训教程（模拟电子线路设计）[M].北京:

电子工业出版社,2007.

附录

附录一：

整机电路原理图

附录二：

电路实物图