关于移动设备高效率充电的研究

　　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. 

　　[7]赵益波，罗晓曙，方锦清，等.电压反馈型DC_DC变换器的稳定性研究[J].物理学报，2005，11（54）：1-4.