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关于移动设备高效率充电的研究

时间:2016-07-21 11:04 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:李鑫等 点击次数:

  摘 要:针对现在开关电源进行了研究与改进,主要改进体现在减小电路本身的损耗,并给出减小纹波的新方法。通过实际电路测试,该设计能够在原有开关电源电路的基础上,实现更小的损耗,更高的效率,更稳定的直流电压。能够为现代移动设备进行更高效率的电源供给,解决了现代充电系统充电效率低、能量浪费严重的问题。 

  关键词:DC-DC;开关电源;纹波;效率 

  引言 

  在现代电子电力技术中,电源技术是重中之重,因为供电系统的质量是整个系统稳定性的前提[1]。而在电源技术中,开关电源占有很重要的地位[2~5]。开关电源是以开关器件为核心器件,通过PWM波脉宽调制输出量的电源系统。它把一种等级的电压(电流)转换为另一个等级的电压(电流)[6,7],分为升压电路和降压电路,应用在不同的场合。文章所研究的电路是在简单的DC-DC双向变换电路的基础上提出改进方法,使之能够拥有更高的效率,更小的纹波。能够应用在手机、笔记本等充电设备。 

  1 开关器件损耗分析 

  在传统boost-buck电路中,开关断开期间利用续流二极管为电感续流,这种模式称为异步整流方式,通常采用肖特基二极管,这种二极管在电压降低时通路电阻比较大,损耗比较大。与之相比,MOSFET的通态电阻要小很多,带来的损耗也相对较小,并且功率MOSFET管的对频率响应更快,输入阻抗更高。所以,采用功率MOSFET代替传统肖特基二极管是一种有效减小功率损耗的办法。 

  功率MOSFET的功耗主要由三个部分引起:寄生电容充放电损耗、通态电阻损耗和等效二极管导通损耗。 

  因为Cgd和Cgs的存在,对直流来说相当于断路,使得从G端看去,输入阻抗很大,D、S间的通态电阻表现为Rd和Rcha之和。 

  寄生电容损耗: 。其中,f为开关电源的频率,C为寄生电容等效值,V为电容两端等效电压。 

  功率MOSFET通态电阻功耗:Pds=IRds其中,I0为通态电流(输出负载电流),Rds是等效电阻,大小为:Rds=Rd+Rcha 

  等效二极管导通损耗:Pd=I0Vd。其中,I0为通态电流(输出负载电流),Vd为二极管导通压降。 

  在实际应用中,功率MOSFET通态电阻功耗占主要部分,所以,下面的分析仅仅介绍通态损耗所带来的影响以及解决办法。 

  假设I0=2A,接下来对比功率MOSFET和续流二极管的功耗: 

  若采用续流二极管整流,消耗功率为:P=I0Vd=0.7I0=1.4W 

  若采用功率MOSFET代替续流二极管,消耗功率为:Prds=IRds=0.028W 

  由上式对比可知,单个MOSFET的功耗在同等条件下远远小于续流二极管的功耗,将其应用在电路中将会大大提高变换器的效率。 

  2 元器件选择 

  电路设计功能如下: 

  (1)buck模式,30V降为21V,电流稳定在2A,电压波动不超过0.5V。 

  (2)boost模式,21V升为30V,电流稳定在2A,电压波动不超过0.5V。 

  下面以buck模式为例进行分析。 

  电路采用PWM脉宽调制的方法实现双向DCDC的功能,PWM脉冲产生采用TL494芯片,该芯片包含了开关电路所需要的全部功能。 

  电感值的计算,在侧重点不同的时候,相应的电感值计算方法也不同,这里采用折中的计算方法:L=(V_o(1-V_o/(V_in-V_on)))/(f*dI) 

  其中,Vin是输入电压,Vo是输出电压,f是开关频率,Io是直流输出电流,dI是纹波电,Von是开关器件导通压降。 

  电容值的计算:C=V_0/8Ldl(1-D)/f^2。其中,L是滤波电感量,D是PWM波的占空比。 

  根据设计的要求,可求出电感L=2.5mH,电容C=450uF。 

  3 电路设计 

  采用同步整流的方法设计电路,使得电路本身功耗较小,但是用一片芯片同时驱动两个开关管会使得脉冲电压上升慢,造成两只开关管同时导通,电路会瞬间短路,所以PWM波要经过驱动电路才能驱动开关管稳定工作。 

  驱动芯片选用IR公司生产的IR2110芯片,它兼有体积小、速度快的优点。标准功耗1.25W,驱动电流可以达到2A,功耗低,驱动能力强。输出为两路互补波,中间有极小的死区存在,能有效的防止两路功率管同时导通,增大了电路的安全性。 

  4 实验结果分析 

  参数设置为Vin=30V,f=50kHz,L=2.5mH,C=420uF,结果表明,该电路能够有效地减小纹波,使输出电压更稳定。 

  功耗分析:输入功率为:30V*2A=60W 

  功率管损耗功率为:Pr=4IRds=0.007W 

  其中Is为单个功率管通过的电流。驱动电路的标准功耗为1.25W,忽略其他损耗,则整个电路的损耗为1.257W,经计算,整个电路的效率可以达到97.9%。 

  5 结束语 

  对传统DCDC电路进行改进,得到一种性能优良的电路,测试数据表明,该电路能够在参数设置的范围实现稳定的输出电压、高效的输出效率,并能够抑制纹波,使之比参数设置时更小。实验结果表明,采用多只功率管并联的方法能够有效地减小因功率管所产生的损耗。 

  参考文献 

  [1]杨玉岗,宁浩轩,李涛,等.双向DC/DC变换器轻载损耗和效率最优化分析[J].电源技术,2015,11(39):2527-2528. 

  [2]吴爱国,李际涛.DC-DC变换器控制方法研究现状[J].电力电子技术,1999,2:1-2. 

  [3]孙伟杰,王武,杨富文.PWM型DC-DC开关变换器研究综述[J].电源技术,2006. 

  [4]张春红,杨海钢,史传进,等.一种带动态开关控制电路的开关式DC-DC转换器[J].电子与信息学报,2013,12(35):1-5. 

  [5]李乔,吴捷.自抗扰控制及其在DC-DC变换器中的应用[J].电工技术学报,2005,1(20):1-2. 

  [6]李建飞,徐至新,钟和清.具有恒压限流和恒流限压功能的DC-DC变换器[J].电力电子技术,1999,1:1-2. 


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