多路输出车载逆变器设计

作者/ 王立鹏 山东科技大学 电气与自动化工程学院(山东 青岛 266590)

*基金项目：山东省自然科学基金(编号：ZR2009FM017);中国博士后科学基金(编号：20090461254)

王立鹏(1992-)，男，硕士生，研究方向：电力电子与电力传动。

摘要：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。

引言

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[1]，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最高的，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]。

1.2 全桥逆变

逆变电路是逆变器的核心。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^[3]。

2 USB双路输出

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^[4]。12V转5V的方式常见的有三种：

第一种，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