常见的三种12V转5V方式

出处:eeskill 发布于:2022-11-17 17:19:51

    为满足车载逆变器可以同时为多个用电设备充电的需求,设计了一款多路输出的车载逆变器,该逆变器包括220V交流电输出和USB双路输出结构。介绍了车载逆变器的工作原理,研究了结合LM2596进行稳压的方法,提出了使用RH7902结合该逆变器进行双路输出的方案。同时,利用saber仿真软件对输出电压和输出电流进行仿真,并搭载了实验模型进行验证,结果表明:电源各项指标达到设计要求,有较强的实用性和可靠性。
随着时代的进步和发展,汽车早已成为人们日常生活的代步工具。人们在开车工作、学习、旅游的同时,离不开很多实用的电子产品,比如充电宝、平板电脑、相机、迷你音箱、USB台灯、桌面式风扇、USB暖手宝等等,这些电子产品都需要通过5V的USB接口来充电,而传统的车载逆变器只有220V交流电输出,考虑到充电器的充电头体积大、不环保、不安全等因素,本文重点研究了车载逆变器的双USB输出设计,并进行了仿真和实验,实验效果良好。
1 220V交流电输出
1.1 推挽正激

推挽正激式DC/DC升压电路适合由低压向高压直流的变换,具有效率较高,电磁干扰较小,可靠性好等优点。推挽式开关电源是所有开关电源中电压利用率的,它在输入电压很低的情况下仍能维持足够大的功率输出,因此,该设计采用推挽正激直流升压电路。

图1为推挽正激电路原理图。
变压器原边由两个开关管、两个原边绕组和一个嵌位电容组成。线圈两端接开关管TL494控制两个开关管交替导通,变压器副边由全桥电路和RLC电路组成。变压器副边电压为正半周时,对D1、D4加正向电压,D1、D4导通;对D2、D3加反向电压,D2、D3截止,形成上正下负的半波整流电压;U1为负半周时,对D2、D3加正向电压,D2、D3导通;对D1、D4加反向电压,D1、D4截止,形成上正下负的半波整流电压。两个开关管在TL494发出的PWM信号的触发下来回导通,在绕组两端形成相位相反的交流电压。开关管关断时,嵌位电容释放漏感,降低开关管的电压尖峰。12V直流电压由变压器升压为方波电压,再经过整流滤波得到需要的直流电压。
2 全桥逆变
逆变电路是逆变器的。逆变电路结构形式主要有半桥式和全桥式两种。半桥式逆变电路结构简单,但电压利用率低,交流输出的电压幅值仅为直流输出电压的一半,要输出同等功率大小的电能,主变压器原边的电流要加大一倍,弥补电压利用率不足的缺点。由于全桥式逆变电路有较强的带负载能力,本设计采用全桥逆变电路。
如图2是单相电压型全桥逆变电路。它可看作由两个半桥电路组合而成,四个开关管组成了两对桥臂,互为对角的两个开关管同时导通,同一侧半桥上下两开关管交替导通,当开关Q1、Q4闭合,Q2、Q3断开:0=Ud;开关Q1、Q4断开,Q2、Q3闭合:U0=-Ud。这样,就将直流电压逆变成交流电压,选择PWM控制芯片TL494来控制开关的占空比,从而改变整流电压的平均值,即改变了输出电压。
2.1 12V-5V稳压
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性,可固定输出3.3V、5V、12V三种电压,也可实现在1.2~37V之间的可调输出。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调节器相比较,可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件,可以使用通用的标准电感,这更简化了LM2596的使用,极大地简化了电路的设计。在特定的输入电压和输出负载的条件下,输出电压的误差可以保证在±4%的范围内,振荡频率误差在±15%的范围内;可以用仅80μA的待机电流实现外部断电,同时具有自我保护电路。
12V转5V的方式常见的有三种:
种,用两个电阻分压。但是如果用电阻分压的话,需要考虑负载端的等效电阻对分压值的影响。这种方法常见于电压采集,不用于能量提供;
第二种,也是普遍使用的方法,使用三端稳压器(如LM7805芯片)来实现线性稳压;

第三种,通过使用LM2596这种开关稳压芯片来实现稳压。这种方法常用于一些对能耗管理比较严格的场合,如手持设备等。本设计采用第三种方法。

如图3是应用开关电压调节器LM2596的典型电路图。
输入电容CIN的作用是防止在输入端出现大的瞬态电压;前馈电容CFF的作用是来对反馈环路进行补偿和增加相位裕量以提高环路的稳定度;输出电容COUT作用是提高环路的稳定性;R1、R2分压反馈输出比较,用于输出稳压。在LM2596的应用中,需要一个吸纳二极管来为电感电流提供通路,由于肖特基二极管开关速度快、正向压降小,特别适合在输出电压低的场合下应用。因此,本设计采用1N5824,正向连续电流是5A,反向耐压30V,符合设计要求。当通电时,电流正常流过,当关闭时,电感里储存的电连接二极管放电,保证了电路永不断电。
2.1.1 主要参数设计
CFF与电阻R2并联,作用是使电路更加稳定。尤其适用于低输入-输出电压的情况。电感电压与微秒的乘积:

2.2 双USB智能识别

如图4所示为双USB智能识别电路。RH7902是USB充电协议端口控制IC,工作电压范围在4.5~5.5V之间,可自动识别充电设备类型,并通过对应的USB充电协议与设备握手,使之获得充电电流,在保护充电设备的前提下节省充电时间。同时支持多种USB充电协议,各充电协议自动切换。图4中电阻R的主要作用是限流,防止前级供电的输出电压过冲到5V以上造成芯片的损坏,建议取值R=750Ω左右;电容C的主要作用是补偿R对电源纹波的影响。如定义为5W充电器,将DP与USB接口的D-端、DM与USB接口的D+端连接;如定义为10W充电器,将DP与USB接口的D+端、DM与USB接口的D-端连接。5W的USB输出接口适用于手机等用电设备充电,10W的USB输出接口适用于平板电脑等用电设备充电。本设计很好的兼容了不同规格的用电设备,使充电安全、高效、便捷。
3 仿真与实验

依据上述方案利用saber仿真软件进行了仿真,如图5、制作了车载逆变器,并利用数字示波器测量了220V输出电压的波形和USB输出电压波形。如图8、图9。

图5所示为带负载充电情况下两路USB输出的电压电流波形图。5W接口输出5V-1A的电压和电流;10W接口输出5V 2.4A的电压和电流。图7所示为逆变器实物模型,图8所示为逆变器220V正弦交流电压输出实验,频率为50Hz左右,电压波形平滑,谐波失真小,抗干扰能力强,有较强的应用稳定性和可靠性。
4 结论
本文设计了一款多路输出的车载逆变器,由于采用了RH7902智能识别芯片,大大简化了电路的设计,并且很好的兼容了许多不同规格的用电设备,使充电稳定,响应速度快。经实际运行测试,该款车载逆变器可同时给三个用电设备充电,解决了普通车载逆变器只能给一个用电设备充电的难题,有较强的应用价值。

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