基于DC-DC 降壓模塊的移動電源輸出電壓調(diào)節(jié)問題研究

明天林，葉 根

普洱學(xué)院 理工學(xué)院，云南 普洱 665000

筆記本移動電源可以大大增加筆記本續(xù)航時間，飽受一些戶外工作者青睞。但傳統(tǒng)移動電源人性化設(shè)計方面有所欠缺，比如電壓固定不變。筆記本不同于手機(jī)，不同型號的筆記本所需電壓不同[1]，如果電壓固定不變，那么這樣的移動電源就不能滿足大多數(shù)筆記本使用。本文將對一塊DC-DC 開關(guān)電路降壓模塊輸出電壓的調(diào)節(jié)問題進(jìn)行優(yōu)化，并將其組裝成一款可以切換多組電壓輸出的移動電源，以滿足不同輸入電壓的筆記本續(xù)航需求。

1 降壓模塊工作原理分析

為了更好的對DC-DC 開關(guān)電路降壓模塊的輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，需要對其降壓原理及電壓控制方式進(jìn)行簡單分析，如圖1 為降壓模塊簡化電路原理圖和實(shí)物圖。通過調(diào)節(jié)R2的阻值，可以改變輸出電壓大小。

圖1 直流降壓模塊簡化電路與實(shí)物圖

1.1 降壓原理

DC-DC 開關(guān)電路降壓模塊的降壓原理[2]如下：

圖1 中，Q1為電子開關(guān)，當(dāng)其閉合時，加在電感兩端的電壓為：

當(dāng)開關(guān)閉合與開關(guān)斷開的狀態(tài)達(dá)到平衡時，增加和減少的磁通相等，即：

由于占空比：

1.2 輸出電壓控制

圖1 電路中PWM[3]的作用是控制Q1閉合與導(dǎo)通的頻率與比例，從而控制輸出電壓Vout 的大小，R1和R2的作用是提供一個輸出電壓的反饋信號，PWM 控制器根據(jù)反饋信號自動調(diào)節(jié)Q1的開關(guān)速度和占空比[4]，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。R2為可變電阻，通過調(diào)節(jié)R2的大小來改變反饋信號的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓大小。

2 筆記本適配器輸出參數(shù)分析

對筆記本電源適配器實(shí)際輸出電壓進(jìn)行測量分析，以確定移動電源輸出電壓的準(zhǔn)確數(shù)值。市面上筆記本電壓大多數(shù)有19v、19.5v、20v，部分筆記本有15v、16v、18v，一些雜牌筆記本也有9v、12v。

以輸入電壓為19v，功率為120w 的機(jī)械革命筆記本為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)其實(shí)際值并非準(zhǔn)確的19v。測量發(fā)現(xiàn)，該型號筆記本的適配器在無負(fù)載的情況下，實(shí)際輸出電壓是19.29v。在筆記本運(yùn)行過程中，其輸出電壓往往在19v 上下浮動。如表1：

表1 筆記本運(yùn)行各種程序時電源適配器DC接口處電壓

由表可知筆記本在運(yùn)行的時候，輸出電壓會有拉低的現(xiàn)象。原因有二：一是連接筆記本與電源適配器的這段電源線的分壓作用；二是電源適配器的主板原因。一般電源適配器輸出電壓都是比較穩(wěn)定的，與空載時的輸出電壓差別不到0.1v。因此，電壓拉低的主要原因是電源適配器與筆記本電腦連接的這段電源線自身電阻所致。

3 模塊輸出電壓調(diào)節(jié)的研究

經(jīng)過前面的測量，可以發(fā)現(xiàn)電源適配器實(shí)際輸出電壓比標(biāo)準(zhǔn)電壓高出0.3v 左右，以抵消電源適配器與筆記本電腦連接的這段電源線損耗電壓。根據(jù)生活中筆記本供電電壓情況，通過取9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v 七組電壓為移動電源標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。對應(yīng)實(shí)際值應(yīng)為9.30v、12.30v、15.30v、16.30v、19.30v、19.80v、20.30v。

3.1 電阻切換電路的設(shè)計

用螺絲刀調(diào)節(jié)圖1 模塊中的R2，將輸出電壓依次調(diào)節(jié)到 9.30v、12.30v、15.30v、16.30v、19.30v、19.80v、20.30v，分別測量對應(yīng)的R2阻值，如下表2所示。

表2 降壓模塊輸出電壓與R2 阻值對應(yīng)

表2 中測量出的7 組R2滑動變阻器的阻值，理論上只要選用7 顆阻值為25.7Ω、35.3Ω、44.9Ω、48.1Ω、57.6Ω、59.2Ω、60.8Ω 的定值電阻，替換模塊中可變電阻R2 的位置，就可以分別得到9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v 這7 組電壓的切換輸出。設(shè)計如圖2 所示電阻切換電路。

圖2 理論電阻切換電路

圖2 中的a、b 兩接線柱接圖1 模塊中的可變電阻R2兩端，相當(dāng)于用圖2 電路替換R2。圖中虛線區(qū)域?yàn)? 檔撥動開關(guān)。切換撥動開關(guān)擋位，可將R2替換為圖中阻值為25.7Ω、35.3Ω、44.9Ω、48.1Ω、57.6Ω、59.2Ω、60.8Ω 的定值電阻中的其中一個，從而得到對應(yīng)的輸出電壓。

但圖2 電路存在兩個問題：一是現(xiàn)有的單個電阻并沒有所需阻值；二是該電路由上一個電阻切換到下一個電阻的瞬間，R2兩端斷開，導(dǎo)致R2阻值無窮大。而由圖1 可知，R2的阻值若為無窮大，則反饋電壓增大為輸出電壓大小，會由于反饋電壓過大而損壞該模塊。

因此，圖2 電路若要應(yīng)用于實(shí)際，還需做進(jìn)一步研究。

3.2 電阻切換電路的改良

筆記本電壓在18V～20V 之間，與標(biāo)準(zhǔn)電壓相差1v 左右也是可以使用的[5]。而在有限個定值電阻的串并聯(lián)過程中，無法得到人們想要的準(zhǔn)確電阻阻值，只能盡量接近。但只要保證輸出電壓偏差1v，便可正常給筆記本供電。

圖3 所示電路為改良后的電阻切換電路，采用并聯(lián)一個公共電阻的方式，解決了圖2 電路因開關(guān)切換過程中阻值無窮大而燒壞主板的問題。其中51k、5.1k、5.1k 三顆電阻的串聯(lián)部分即為公共電阻，記為R0=61.2k。當(dāng)開關(guān)打到20k 接線柱處，此時未與任何電阻并聯(lián)，a、b 兩端阻值即為R0=61.2k。與表3 中輸出電壓為20v 時，對應(yīng)的R2=60.8k 阻值相近。用R0替換R2，得到輸出電壓為20.45v，與標(biāo)準(zhǔn)電壓20v 相差0.45v，不超過1v。因此R0=61.2k 可作為移動電源20v 輸出時對應(yīng)的電阻檔阻值。R2越大，輸出電壓越大，且一個電阻與其他電阻并聯(lián)后總阻值減小，因此我們選擇輸出電壓為20v 時對應(yīng)的阻值作為公共并聯(lián)電阻。想要得到其他幾組輸出電壓對應(yīng)的R2阻值，只需要并聯(lián)一定阻值的電阻即可。按照表2 中R2的數(shù)據(jù)，以及R0的大小，可計算出電壓高出0.3v 時，9v、12v、15v、16v、19v、19.5v六組輸出電壓對應(yīng)的與R0并聯(lián)的阻值大小，記為R并，如表3 所示。在選取與R 并近似的定值電阻組成圖3 所示電路。

圖3 實(shí)際電阻切換電路

表3 電壓、電阻與誤差綜合對比

由：

由式（11）、（12）、（13）可分別計算出表3 中R并理論值、R2實(shí)際值、絕對誤差。

表3 中實(shí)際輸出電壓數(shù)據(jù)絕對誤差不超過0.4v，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1v。因此可以認(rèn)為，用R0與各R并實(shí)際值組成的圖4 所示電路替換降壓模塊可變電阻R2，對應(yīng)的各輸出電壓給筆記本供電，不會影響筆記本電腦的正常工作。

圖4 移動電源整體電路系統(tǒng)

實(shí)際電阻切換電路如圖3 所示，撥動開關(guān)打到7 個不同的擋位，將R2切換成不同的阻值，得到9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v 這7 個不同的輸出電壓。

4 移動電源整體組裝系統(tǒng)分析

如圖5 為移動電源整體電路系統(tǒng)簡圖。從左到右依次為7 串可充電高倍率鋰電池、電壓均衡模塊、DC-DC 開關(guān)電路降壓模塊簡化電路（對應(yīng)圖1模塊）、電阻切換電路。虛線部分為7 檔撥動開關(guān)，7檔撥動開關(guān)切換七組電阻R 并，得到七組輸出電壓：9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v。其中電壓均衡模塊的的作用有：鋰電池過充過放保護(hù)、七串鋰電池電壓的平衡控制[6]。在為不同筆記本續(xù)航供電時，只需將電壓切換到對應(yīng)筆記本所需電壓，用一條電源線將筆記本充電接口與Vout 輸出端連接即可。

5 總結(jié)與展望

通過以上理論與實(shí)驗(yàn)研究，組裝出來的移動電源性能優(yōu)越，兼容性更高。在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢明顯：可以切換輸出電壓、負(fù)載能力強(qiáng)、續(xù)航時間加長、安全系數(shù)高。除此以外，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本文采用7串、24v 鋰電池供能，相比于市場12v，在相同功率情況下降低了主板承載的電流。相同成本就可以達(dá)到更高功率輸出，這也為筆記本移動電源的生產(chǎn)研究提供了一種新的思路。

從改進(jìn)此移動電源所得到的啟示：首先，內(nèi)部屬于多個模塊拼裝，一些輸入輸出原件、接口、開關(guān)、主板、鋰電池電壓均衡模塊等都可以經(jīng)過一些工藝將其整合在一起，從而降低生產(chǎn)難度；其次，此電源的外殼是采用防水盒銑孔加工而成，通過外觀的設(shè)計，工藝注塑的方法，可以改良外觀以提高觀賞性，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其穩(wěn)固性，壓縮體積，以便于攜帶。經(jīng)過這兩方面大的改進(jìn)，可以降低量化生產(chǎn)的難度，更能降低生產(chǎn)成本。