一款户外开关电源的设计、仿真与实验研究*

胡治伟，郭震宁，杨菲菲

（华侨大学 信息学院 光电系，福建 厦门361021）

开关电源是通过控制开关管开通与关断的时间比率来维持电压稳定输出的一种电源[1]，笔记本电脑电源适配器是将交流变换为直流的反激式开关电源。笔记本电脑随着社会经济的发展应用愈加广泛，但其功耗无法进一步降低及电池容量上的局限，直接影响其户外的应用。现在主流笔记本电脑电池一般只能工作2小时左右，在没有交流电源的户外，工作时长要求一直是笔记本电脑使用者的困扰。因此，本文设计的户外开关电源，结合柔性非晶硅太阳能电池弱光性好、便携可折叠、价格低廉的特点[2]，可以很好地解决该困扰。

1 系统设计要求

根据笔记本电脑电池、适配器等相关参数，确定开关电源恒压输出Vout为19.6 V，最大功率在65 W左右，输出纹波小于0.02 Vout。根据太阳能电池输出电压特性，确定开关电源为降压-升压（Buck-Boost）拓扑结构，因此本文选定凌力尔特公司生产的一款高性能降压-升压开关型芯片LTC3780。它可在输入电压高于、低于或等于输出电压的条件下运行；其恒定频率电流模式架构提供了一个高达400 kHz的可锁频率；凭借4 V～30 V（最大值为36 V）的宽输入和输出范围以及不同操作模式间的无缝切换，LTC3780成为汽车、电信和电池供电型系统的理想选择[3]。

2 电路结构及工作原理分析

图1所示电路结构运用了4个NMOS开关（Q1、Q2、Q3、Q4）的同步整流技术，该技术采用通态电阻极低的电力MOSFET来取代整流二极管，能大大降低整流电路的损耗，提高DC/DC变换器的效率，满足低压、大电流整流器的需要[4]。电流的主要通路是：输入电源V1→NMOS管Q1→储能电感L1→NMOS管Q3→负载Rload。R7和R8构成分压取样电路，取样电压经Vosense反馈输入后，LTC3780根据反馈电压的大小调整开关信号的占空比[3]，从而实现电压输出稳定。通过Vout=0.8（1+R7/R8）选定R7和R8阻值为282 kΩ和12 kΩ，通过带载能力约为65 W确定Rsense（即图中R1//R2）为20 mΩ。

图1 DC/DC变换电路图

4个NMOS管的不同开关状态决定了电路的不同工作方式。现结合基本Buck、Boost拓扑结构对比分析该户外电源电路结构中的4个NMOS管同步整流工作原理。

2.1 降压（Buck）工作方式

图2（a）为Buck拓扑结构，NMOS管Q工作在开关状态（导通与截止），Q导通时，整流二极管D截止，储能电感L的电流增量为；Q关断截 止时，D导通，忽略D的导通压降，则电感L的电流增量为当达到稳定时，Δi++Δi-=0，由此得Vout=其中占空比，由于0

图2 基本Buck拓扑与LTC3780开关简化示意图

图3 LTC3780降压模式时4个NMOS管驱动波形

图4 LTC3780降压模式时Q1、Q2实测波形

2.2 升压（Boost）工作方式

图5（a）为Boost拓扑结构，NMOS管Q工作在开关状态（导通与截止），Q导通时，整流二极管D截止，储能电感L的电流增量为；Q关断截止时，D导通，忽略D的导通压降，则电感L的电流增量为当达到稳定时，Δi++Δi-=0，由此得，由于0

图5 基本Boost拓扑与LTC3780开关简化示意图

图6 LTC3780升压模式时4个NMOS管驱动波形

图7 LTC3780升压模式时Q3、Q4实测波形

3 仿真结果及分析

仿真结果如图8所示。从图8（a）可以看出，该电源启动过程约为1.6 ms；如图8（b）可以看出，约300 mV的最大电压纹波出现在启动过程的上升阶段，从最大纹波到稳定在19.6 V历时约为2 ms。

图8 仿真结果

实验室采用直流电源模拟柔性非晶硅太阳能电池，模拟不同光照条件（即不同输入电压和不同带载要求）下的测试数据如表1所示[6]。测试结果表明，轻负载下约为200 mV，重负载下约为350 mV，表明纹波随输出带载能力不同而略有波动，带载要求越高，输出电压纹波越大，总体测试与仿真结果较为接近。

表1 不同负载、不同模式下的纹波水平

本文针对笔记本电脑在户外无法长时间使用而设计了一款户外开关电源，采用LTspice IV能方便、快速地仿真开关电源电路中的各点工作波形并分析电源输出随负载的变化。仿真结果表明，该款户外开关电源开关响应快，上升和稳定过程短；实物模拟测试结果表明，负载电流越大，该户外电源输出电压纹波越大，总体纹波大小在不同负载、不同模式下符合设计要求。

[1]李定宣.开关稳压电源设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]张旭鹏，杨盛文，张金玲.非晶硅薄膜电池应用及前景分析[J].光源与照明，2010（1）：39-41.

[3]Linear Tech公司.LTC3780 datasheet[DB/OL].[2013-01-06].http：//www.linear.com.

[4]黄海宏，王海欣，张毅.同步整流的基本原理[J].电气电子教学学报，2007（1）：27-29.

[5]PRESSMAN A I，BILLINGS K.Switching power supply design（Third Edition）[M].北京：电子工业出版社，2010.

[6]沈超，付丽璋，吴世通.电源转换模块LTC3780的工作性能仿真分析[J].航天返回与遥感，2010（6）：58-65.