基于DC-DC 降压模块的移动电源输出电压调节问题研究

明天林，叶 根

普洱学院 理工学院，云南 普洱 665000

笔记本移动电源可以大大增加笔记本续航时间，饱受一些户外工作者青睐。但传统移动电源人性化设计方面有所欠缺，比如电压固定不变。笔记本不同于手机，不同型号的笔记本所需电压不同[1]，如果电压固定不变，那么这样的移动电源就不能满足大多数笔记本使用。本文将对一块DC-DC 开关电路降压模块输出电压的调节问题进行优化，并将其组装成一款可以切换多组电压输出的移动电源，以满足不同输入电压的笔记本续航需求。

1 降压模块工作原理分析

为了更好的对DC-DC 开关电路降压模块的输出电压进行优化改进，需要对其降压原理及电压控制方式进行简单分析，如图1 为降压模块简化电路原理图和实物图。通过调节R2的阻值，可以改变输出电压大小。

图1 直流降压模块简化电路与实物图

1.1 降压原理

DC-DC 开关电路降压模块的降压原理[2]如下：

图1 中，Q1为电子开关，当其闭合时，加在电感两端的电压为：

当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加和减少的磁通相等，即：

由于占空比：

1.2 输出电压控制

图1 电路中PWM[3]的作用是控制Q1闭合与导通的频率与比例，从而控制输出电压Vout 的大小，R1和R2的作用是提供一个输出电压的反馈信号，PWM 控制器根据反馈信号自动调节Q1的开关速度和占空比[4]，以实现稳定的电压输出。R2为可变电阻，通过调节R2的大小来改变反馈信号的大小，进而调节输出电压大小。

2 笔记本适配器输出参数分析

对笔记本电源适配器实际输出电压进行测量分析，以确定移动电源输出电压的准确数值。市面上笔记本电压大多数有19v、19.5v、20v，部分笔记本有15v、16v、18v，一些杂牌笔记本也有9v、12v。

以输入电压为19v，功率为120w 的机械革命笔记本为例进行实验分析，发现其实际值并非准确的19v。测量发现，该型号笔记本的适配器在无负载的情况下，实际输出电压是19.29v。在笔记本运行过程中，其输出电压往往在19v 上下浮动。如表1：

表1 笔记本运行各种程序时电源适配器DC接口处电压

由表可知笔记本在运行的时候，输出电压会有拉低的现象。原因有二：一是连接笔记本与电源适配器的这段电源线的分压作用；二是电源适配器的主板原因。一般电源适配器输出电压都是比较稳定的，与空载时的输出电压差别不到0.1v。因此，电压拉低的主要原因是电源适配器与笔记本电脑连接的这段电源线自身电阻所致。

3 模块输出电压调节的研究

经过前面的测量，可以发现电源适配器实际输出电压比标准电压高出0.3v 左右，以抵消电源适配器与笔记本电脑连接的这段电源线损耗电压。根据生活中笔记本供电电压情况，通过取9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v 七组电压为移动电源标准输出电压。对应实际值应为9.30v、12.30v、15.30v、16.30v、19.30v、19.80v、20.30v。

3.1 电阻切换电路的设计

用螺丝刀调节图1 模块中的R2，将输出电压依次调节到 9.30v、12.30v、15.30v、16.30v、19.30v、19.80v、20.30v，分别测量对应的R2阻值，如下表2所示。

表2 降压模块输出电压与R2 阻值对应

表2 中测量出的7 组R2滑动变阻器的阻值，理论上只要选用7 颗阻值为25.7Ω、35.3Ω、44.9Ω、48.1Ω、57.6Ω、59.2Ω、60.8Ω 的定值电阻，替换模块中可变电阻R2 的位置，就可以分别得到9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v 这7 组电压的切换输出。设计如图2 所示电阻切换电路。

图2 理论电阻切换电路

图2 中的a、b 两接线柱接图1 模块中的可变电阻R2两端，相当于用图2 电路替换R2。图中虚线区域为7 档拨动开关。切换拨动开关挡位，可将R2替换为图中阻值为25.7Ω、35.3Ω、44.9Ω、48.1Ω、57.6Ω、59.2Ω、60.8Ω 的定值电阻中的其中一个，从而得到对应的输出电压。

但图2 电路存在两个问题：一是现有的单个电阻并没有所需阻值；二是该电路由上一个电阻切换到下一个电阻的瞬间，R2两端断开，导致R2阻值无穷大。而由图1 可知，R2的阻值若为无穷大，则反馈电压增大为输出电压大小，会由于反馈电压过大而损坏该模块。

因此，图2 电路若要应用于实际，还需做进一步研究。

3.2 电阻切换电路的改良

笔记本电压在18V～20V 之间，与标准电压相差1v 左右也是可以使用的[5]。而在有限个定值电阻的串并联过程中，无法得到人们想要的准确电阻阻值，只能尽量接近。但只要保证输出电压偏差1v，便可正常给笔记本供电。

图3 所示电路为改良后的电阻切换电路，采用并联一个公共电阻的方式，解决了图2 电路因开关切换过程中阻值无穷大而烧坏主板的问题。其中51k、5.1k、5.1k 三颗电阻的串联部分即为公共电阻，记为R0=61.2k。当开关打到20k 接线柱处，此时未与任何电阻并联，a、b 两端阻值即为R0=61.2k。与表3 中输出电压为20v 时，对应的R2=60.8k 阻值相近。用R0替换R2，得到输出电压为20.45v，与标准电压20v 相差0.45v，不超过1v。因此R0=61.2k 可作为移动电源20v 输出时对应的电阻档阻值。R2越大，输出电压越大，且一个电阻与其他电阻并联后总阻值减小，因此我们选择输出电压为20v 时对应的阻值作为公共并联电阻。想要得到其他几组输出电压对应的R2阻值，只需要并联一定阻值的电阻即可。按照表2 中R2的数据，以及R0的大小，可计算出电压高出0.3v 时，9v、12v、15v、16v、19v、19.5v六组输出电压对应的与R0并联的阻值大小，记为R并，如表3 所示。在选取与R 并近似的定值电阻组成图3 所示电路。

图3 实际电阻切换电路

表3 电压、电阻与误差综合对比

由：

由式（11）、（12）、（13）可分别计算出表3 中R并理论值、R2实际值、绝对误差。

表3 中实际输出电压数据绝对误差不超过0.4v，远远低于1v。因此可以认为，用R0与各R并实际值组成的图4 所示电路替换降压模块可变电阻R2，对应的各输出电压给笔记本供电，不会影响笔记本电脑的正常工作。

图4 移动电源整体电路系统

实际电阻切换电路如图3 所示，拨动开关打到7 个不同的挡位，将R2切换成不同的阻值，得到9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v 这7 个不同的输出电压。

4 移动电源整体组装系统分析

如图5 为移动电源整体电路系统简图。从左到右依次为7 串可充电高倍率锂电池、电压均衡模块、DC-DC 开关电路降压模块简化电路（对应图1模块）、电阻切换电路。虚线部分为7 档拨动开关，7档拨动开关切换七组电阻R 并，得到七组输出电压：9v、12v、15v、16v、19v、19.5v、20v。其中电压均衡模块的的作用有：锂电池过充过放保护、七串锂电池电压的平衡控制[6]。在为不同笔记本续航供电时，只需将电压切换到对应笔记本所需电压，用一条电源线将笔记本充电接口与Vout 输出端连接即可。

5 总结与展望

通过以上理论与实验研究，组装出来的移动电源性能优越，兼容性更高。在实际应用中优势明显：可以切换输出电压、负载能力强、续航时间加长、安全系数高。除此以外，在系统结构上，本文采用7串、24v 锂电池供能，相比于市场12v，在相同功率情况下降低了主板承载的电流。相同成本就可以达到更高功率输出，这也为笔记本移动电源的生产研究提供了一种新的思路。

从改进此移动电源所得到的启示：首先，内部属于多个模块拼装，一些输入输出原件、接口、开关、主板、锂电池电压均衡模块等都可以经过一些工艺将其整合在一起，从而降低生产难度；其次，此电源的外壳是采用防水盒铣孔加工而成，通过外观的设计，工艺注塑的方法，可以改良外观以提高观赏性，优化内部结构以增强其稳固性，压缩体积，以便于携带。经过这两方面大的改进，可以降低量化生产的难度，更能降低生产成本。