便携式笔记本车载适配器方案
2010-12-18 10:31:42
来源：《半导体器件应用》2009年12月刊
1 前言
随着消费类电子产品的高速发展和普及，以山寨笔记本、上网本、EPC等为代表的便携式笔记本成为注重移动性、便携性需求的移动办公或娱乐用计算机首选设备；便携式笔记本以其高性价比、高娱乐性、无线上网、移动办公、室外作业等优异性能，在办公、生活娱乐、便携式电子设备等领域正在不断得到更大规模的普及和应用。
考虑到便携式笔记本的移动性能，当在室外、野外等特殊环境下长时间使用时，除了提高便携式笔记本自备电池的续航能力外，还必须有合适的外接电源；随着家用汽车的普及，汽车蓄电池成为便携式笔记本室外供电的理想电源；由于常规便携式笔记本的输入供电电压不完全一致（山寨笔记本、EPC、常规笔记本大多在16V~20V之间，上网本大部分为12V，不同品牌，不同厂家有差异），但是常规汽车蓄电池电压轿车为12V，卡车为24V，考虑到汽车蓄电池充满电和亏电的因素，一般轿车蓄电池电压在10V~14.5V之间，卡车蓄电池电压在20V~28V之间。因此，汽车蓄电池无法通过点烟器插头直接给便携式笔记本供电，必须经过电压变换，这就需要高转换效率、高输出功率（大多数在30W~90W之间）、高可靠性、环保节能、高性价比、小体积的直流电压转换方案，即便携式笔记本车载适配器方案。
便携式笔记本车载适配器既要考虑到电压匹配（根据实际笔记本供电需求不同，汽车蓄电池电压不同，电压转换可能需要升压Boost、降压Buck、升降压Buck-Boost等不同的拓朴结构），又要兼顾到汽车蓄电池的恶劣环境（瞬态尖峰毛刺电压，发动机噪声干扰，EMI等），同时还必须保证有足够的输出功率（一般便携式笔记本7英吋~10英吋屏输入功率30W~50W左右，10英吋~15英吋屏输入功率50W~90W左右）。
2 常规便携式笔记本车载适配器方案简介
(1) 逆变器DC/AC+AC/DC适配器
优点：这个方案是在没有其它更好方案的情况下不得已的选择，由于AC/DC部分为便携式笔记本标配的交流适配器，因此可以直接与常规的汽车逆变器输出的220V交流电连接。
缺点：整体上系统比较复杂，成本较高；因为经过两级电源转换，总的系统变换效率非常低（总的最高效率也不超过60%），燃油经济性很差，极大的浪费能源，不划算。
其中DC/AC部分，目前市场上销售量最大、最常见的车载逆变器的输出功率为70W-150W之间，逆变器电路中主要采用TL494或KA7500芯片为主的脉宽调制电路。这个方案的主要实现方式是把车载电瓶的电压由DC12V或者DC24V直接转变成AC220V，然后再通过AC/DC Adapter给笔记本等供电。车载逆变器可分为正弦波输出和方波输出两种。
正弦波输出的优点是：可提供不间断的高质量交流电，适用任何负载。缺点是：其技术要求及电路结构比较复杂，成本较高。方波输出的优点是：其技术要求低，体积小，电路简单，价格低。
(2)用反激式(FLYBACK)开关电源拓朴结构实现的适配器
该结构的电路原理图见图1。其优缺点如下。
优点：通过简单的系统设计，可以方便的实现降压、升压、升降压变换。
缺点：由于系统需要外加功率开关管和开关变压器，开关频率也比较低（一般在30kHz~65kHz之间），整个系统相对来看，电路比较复杂、体积比较大、集成度不高（外围需要比较多的分立器件）、转换效率也不高（一般输出50W左右功率时，效率最高到80%左右）；
总体来讲，系统功率密度较低、体积较大不利于便携、性价比不高。
(3)Boost PWM Controller+ MOSFET 车载适配器
这种结构的功能示意图如图2所示。其优缺点如下。
优点：根据外围连接方式的不同，可以方便实现升压拓朴、升降压拓朴的应用。
缺点：由于外置功率管上的电压、电流、温度不受控，且工作在高温大电流状态，影响系统的长期可靠性因素较多，要确保系统安全可靠，需要额外增加辅助电路来实现。比如过压保护OVP、过流保护OCP、过热保护OTP等，结果会造成电路复杂，系统成本增加，效率降低等不利因素。
3 XLSEMI便携式笔记本车载供电的系列方案
上海芯龙半导体有限公司长期专注于耐高压、高效率、大电流、高可靠性、高性价比单片开关电源集成电路的研究开发。针对便携式笔记本车载适配器方案，XLSEMI提供业界领先技术水平的一系列成熟、高效率、高性价比、高功率密度、高可靠性的单片大功率集成电路解决方案。
(1)升压(Boost)拓扑结构
这种拓朴结构能够直接把轿车的车载12V电源升压到笔记本所需的16V~20V电压，输出电流能力2A~5A，其示意图如图3所示。
特点：①系统结构简单，设计方便灵活，可以达到很高的效率（50W输出时高达93%）；
②由于大功率开关管内置，功率管的电压、电流、温度都受控；同时，芯片内置软启动电路、环路频率补偿电容、内部固定频率、全内置过压保护、过流保护、过热保护等电路，芯片的可靠性、安全性大大提高，外围器件很少，系统体积小，高功率密度，高性价比。
(2)升降压(Buck-Boost)拓扑结构(SEPIC)
当需要用轿车蓄电池(10V~14.5V)给12V的便携式笔记本供电时，或者虽然便携式笔记本的供电要求在16V~20V左右，但是要求兼容到12V和24V两种蓄电池取电时，就必须用到升降压的拓朴结构。
特点：①系统结构简单，设计方便灵活，可以达到较高的效率（50W输出时高达90%）；
②同比最简单、高效、小体积单片全内置的升降压方案，高功率密度和高性价比。
(3)降压(Buck)拓朴结构
当要求只通过卡车24V蓄电池取电给便携式笔记本或其他车载电子设备供电时，仅需要单纯降压就好了；XL4005/4012降压应用电路(VIN=20V~30V ，VOUT= 12V/16V/19V)如图5所示。
特点：① 全内置型单片高电压、高频率、高效率、大电流、高可靠性、高性价比集成电路；
② 系统设计简单、方便灵活、高功率密度；
③ 常规的过流保护，过热保护，输出短路保护都内置；
④ 高效率，在输入电压20V-30V，输出功率50W时效率高达90%以上。
XLSEMI 便携式笔记本车载适配器方案列于表3。
随着消费类电子产品的高速发展和普及，以山寨笔记本、上网本、EPC等为代表的便携式笔记本成为注重移动性、便携性需求的移动办公或娱乐用计算机首选设备；便携式笔记本以其高性价比、高娱乐性、无线上网、移动办公、室外作业等优异性能，在办公、生活娱乐、便携式电子设备等领域正在不断得到更大规模的普及和应用。
考虑到便携式笔记本的移动性能，当在室外、野外等特殊环境下长时间使用时，除了提高便携式笔记本自备电池的续航能力外，还必须有合适的外接电源；随着家用汽车的普及，汽车蓄电池成为便携式笔记本室外供电的理想电源；由于常规便携式笔记本的输入供电电压不完全一致（山寨笔记本、EPC、常规笔记本大多在16V~20V之间，上网本大部分为12V，不同品牌，不同厂家有差异），但是常规汽车蓄电池电压轿车为12V，卡车为24V，考虑到汽车蓄电池充满电和亏电的因素，一般轿车蓄电池电压在10V~14.5V之间，卡车蓄电池电压在20V~28V之间。因此，汽车蓄电池无法通过点烟器插头直接给便携式笔记本供电，必须经过电压变换，这就需要高转换效率、高输出功率（大多数在30W~90W之间）、高可靠性、环保节能、高性价比、小体积的直流电压转换方案，即便携式笔记本车载适配器方案。
便携式笔记本车载适配器既要考虑到电压匹配（根据实际笔记本供电需求不同，汽车蓄电池电压不同，电压转换可能需要升压Boost、降压Buck、升降压Buck-Boost等不同的拓朴结构），又要兼顾到汽车蓄电池的恶劣环境（瞬态尖峰毛刺电压，发动机噪声干扰，EMI等），同时还必须保证有足够的输出功率（一般便携式笔记本7英吋~10英吋屏输入功率30W~50W左右，10英吋~15英吋屏输入功率50W~90W左右）。
2 常规便携式笔记本车载适配器方案简介
(1) 逆变器DC/AC+AC/DC适配器
优点：这个方案是在没有其它更好方案的情况下不得已的选择，由于AC/DC部分为便携式笔记本标配的交流适配器，因此可以直接与常规的汽车逆变器输出的220V交流电连接。
缺点：整体上系统比较复杂，成本较高；因为经过两级电源转换，总的系统变换效率非常低（总的最高效率也不超过60%），燃油经济性很差，极大的浪费能源，不划算。
其中DC/AC部分，目前市场上销售量最大、最常见的车载逆变器的输出功率为70W-150W之间，逆变器电路中主要采用TL494或KA7500芯片为主的脉宽调制电路。这个方案的主要实现方式是把车载电瓶的电压由DC12V或者DC24V直接转变成AC220V，然后再通过AC/DC Adapter给笔记本等供电。车载逆变器可分为正弦波输出和方波输出两种。
正弦波输出的优点是：可提供不间断的高质量交流电，适用任何负载。缺点是：其技术要求及电路结构比较复杂，成本较高。方波输出的优点是：其技术要求低，体积小，电路简单，价格低。
(2)用反激式(FLYBACK)开关电源拓朴结构实现的适配器
该结构的电路原理图见图1。其优缺点如下。
优点：通过简单的系统设计，可以方便的实现降压、升压、升降压变换。
缺点：由于系统需要外加功率开关管和开关变压器，开关频率也比较低（一般在30kHz~65kHz之间），整个系统相对来看，电路比较复杂、体积比较大、集成度不高（外围需要比较多的分立器件）、转换效率也不高（一般输出50W左右功率时，效率最高到80%左右）；
总体来讲，系统功率密度较低、体积较大不利于便携、性价比不高。
(3)Boost PWM Controller+ MOSFET 车载适配器
这种结构的功能示意图如图2所示。其优缺点如下。
优点：根据外围连接方式的不同，可以方便实现升压拓朴、升降压拓朴的应用。
缺点：由于外置功率管上的电压、电流、温度不受控，且工作在高温大电流状态，影响系统的长期可靠性因素较多，要确保系统安全可靠，需要额外增加辅助电路来实现。比如过压保护OVP、过流保护OCP、过热保护OTP等，结果会造成电路复杂，系统成本增加，效率降低等不利因素。
3 XLSEMI便携式笔记本车载供电的系列方案
上海芯龙半导体有限公司长期专注于耐高压、高效率、大电流、高可靠性、高性价比单片开关电源集成电路的研究开发。针对便携式笔记本车载适配器方案，XLSEMI提供业界领先技术水平的一系列成熟、高效率、高性价比、高功率密度、高可靠性的单片大功率集成电路解决方案。
(1)升压(Boost)拓扑结构
这种拓朴结构能够直接把轿车的车载12V电源升压到笔记本所需的16V~20V电压，输出电流能力2A~5A，其示意图如图3所示。
特点：①系统结构简单，设计方便灵活，可以达到很高的效率（50W输出时高达93%）；
②由于大功率开关管内置，功率管的电压、电流、温度都受控；同时，芯片内置软启动电路、环路频率补偿电容、内部固定频率、全内置过压保护、过流保护、过热保护等电路，芯片的可靠性、安全性大大提高，外围器件很少，系统体积小，高功率密度，高性价比。
(2)升降压(Buck-Boost)拓扑结构(SEPIC)
当需要用轿车蓄电池(10V~14.5V)给12V的便携式笔记本供电时，或者虽然便携式笔记本的供电要求在16V~20V左右，但是要求兼容到12V和24V两种蓄电池取电时，就必须用到升降压的拓朴结构。
特点：①系统结构简单，设计方便灵活，可以达到较高的效率（50W输出时高达90%）；
②同比最简单、高效、小体积单片全内置的升降压方案，高功率密度和高性价比。
(3)降压(Buck)拓朴结构
当要求只通过卡车24V蓄电池取电给便携式笔记本或其他车载电子设备供电时，仅需要单纯降压就好了；XL4005/4012降压应用电路(VIN=20V~30V ，VOUT= 12V/16V/19V)如图5所示。
特点：① 全内置型单片高电压、高频率、高效率、大电流、高可靠性、高性价比集成电路；
② 系统设计简单、方便灵活、高功率密度；
③ 常规的过流保护，过热保护，输出短路保护都内置；
④ 高效率，在输入电压20V-30V，输出功率50W时效率高达90%以上。
XLSEMI 便携式笔记本车载适配器方案列于表3。
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