A题双向DC-DC

A双向DC-DC变换器

摘要：本设计实现了一种基于MSP430F2616单片机的可程控双向DC-DC变换器。系统由18650电池组、直流稳压电源充电电路、同步Boost-Buck电路、滤波电路、辅助电源、单片机、键盘、AD转换电路、显示器等电路组成。充电模式下，输入为30V直流电，通过同步降压拓扑结构形成稳定的约20V的直流电压，该直流电压经过程控降压模块实现可程控输出电流。电流经过二次滤除纹波可得到稳定的电流输出。放电模式下，通过同步升压拓扑结构形成稳定的30V电压输出。同时该电源变换器具过充保护的功能，提高了电源的安全性和稳定性。本电源效率高、步进精度高、输出电流稳定、安全性高、重量小轻便可携带；通过按键与显示器实现人机交互，人机交互友好。 关键字：DC-DC，恒流，效率

1方案论证

1.1DC-DC变换器设计方案

题目要求电池组在充电模式下，输入直流电为24~36V的条件下可以输出恒流2A，放电模式可以输出恒压30V，所以本次设计需要利用双向DC-DC拓扑结构。

方案一：采用隔离型DC-DC双向变换器。借鉴非隔离单向变换器中反并联开关管或二极管，以构成非隔离双向变换器的思想，也可以从隔离型单向变换器演变得到隔离型正激双向DC-DC变换器。该方案在需要电气隔离的场合应用比较广泛。

方案二：采用全桥DC-DC双向变换器。通过移相可使控制其开关器件实现零电压开关。开关器件的电压、电流应尽量小；变压器为双向励磁，利用率较高，在中、大功率场合有广泛的应用。

方案三：采用Boost-Buck双向变换器。常见的非隔离型单向变换器的拓扑结构有Buck、Boost、Buck/Boost等电路。在这些单向变换器的二极管两端反并联开关管，在开关管两端反并联二极管，即可构成与之对应的Boost-Buck双向变换器电路。

三种方案理论上都能够实现本设计需要的双向DC-DC电压变换。正激双向DC-DC变换器虽然成本低，驱动电路容易，但由于变压器会处于单向励磁状态，变压器利用率较低，并且需要额外设计磁复位电路，适用的电路范围较小。全桥DC-DC双向变换器虽处于双向励磁状态，利用率较高，但其电路拓扑结构复杂难以实现；但相比于非隔离双向变换器而言，其效率还是较低的，达不到本设计需要的效率达到95%以上的要求。这两种隔离型双向变换器均需要用到变压器，比较笨重，会超出该设计的系统总质量小于500g的要求。而Boost-Buck双向变换器电路精简，无变压器较为轻便，利用率较高，因此本次设计采用Boost-Buck双向DC-DC拓扑结构。

1.2恒流恒压设计方案

为满足充电模式下，输入为24~36V变化时，稳定输出恒定2A电流，输入电压不变情况下充电电流步进可调，充电模式下本电源需要实现降压恒流功能。为满足放电模式时候，保持输出电压不变，本电源在放电模式下需实现恒压功能。

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方案一：采用程序控制PWM占空比实现恒压恒流功能。利用高精度ADC芯片对负载进行采样得到负载两端的电压或者电流，根据公式：

VOUTVINTON （1）

TONTOFF其中VOUT为输出加在负载两端的电压，VIN为输入电压，

TON为控制PWM

TONTOFF信号的占空比，可知输出电压在数值上等于输入电压与给到驱动芯片上面的PWM信号的占空比的乘积。

方案二：采用TL494芯片实现PWM波形的占空比自动调节。TL494是一种频率固定的脉冲宽度控制器，主要是为开关电源控制器而设计。芯片上自带有误差放大器，该放大器和输出端连接便可实现反馈环路，这样就可以实现硬件自动调节PWM波形的占空比。通过精密DAC芯片给定输入电压便可以输出稳定电流或者电压，这样也就形成了程控恒压恒流。该方案由硬件器件内部实现反馈环路，不需要检测输出电压或电流。

上述两种方案基本都能够实现对电池组的充电模式恒流以及放电模式恒压操作。考虑到电路的实用性以及可实现性与可靠性，方案二的电路比较复杂，且在软件上实际是开环结构，无法知道输出电压或电流情况；而方案一由软件实现反馈环路，可以明确知道输出电压电流情况，系统控制可灵活操作；故选择方案一作为本次的恒压恒流电路方案。

2原理论证

2.1Boost-Buck双向拓扑原理

Boost-Buck原理图如图1所示：

图1 Boost-Buck双向变换器原理图

图中当V1作为输入、V2作为输出时候，该拓扑构成一个Boost同步升压电路，可以完成锂电池放电模式下升压的要求；当V2端作为输入、V1作为输出

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时候，该拓扑构成一个Buck降压电路，可以完成锂电池充电模式下降压恒流的要求。

2.2控制环路原理

采用程序控制PWM占空比实现恒压恒流功能。该硬件电路实现起来比较简单，其控制环路原理如图2所示：

AD采集电流/电压是否大于电流/电压给定值？Y减小PWM占空比N增大PWM占空比

图2 程控PWM占空比实现图

通过比较负载两端的电压值与程序给定的电压值的差距，从而得出PWM占空比偏离给定电压值所需要的PWM占空比的多少，进而形成了一个反馈环路。再利用MSP430单片机实现PID算法从而来调整PWM的占空比值。这样可以使加在负载两端电压电流为一动态恒定值。

2模块电路设计

2.1双向DC-DC电路模块

双向DC-DC电路模块由IR2104驱动器、MOSFET构成的双向拓扑组成。其中IR2104驱动电路部分原理图如图3所示：

图3 IR2104驱动电路图

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单片机发出的PWM波形经过IR2104驱动芯片之后，增大其输出电流，具有很强的驱动负载能力，从而能够驱动MOSFET管实现恒压恒流功能。

MOSFET双向拓扑电路原理图如图4所示：

图4 MOSFET双向拓扑电路图

当V1端作为输入、V2作为输出端子时候，该拓扑构成一个Buck电路，实现从直流稳压电源到电池组的降压恒流充电功能。

当V2端作为输入、V1作为输出端子时候，该拓扑构成一个Boost电路，实现从电池组到直流稳压电源的升压恒压放电功能。

2.2测控电路模块

测控电路模块由PWM波形发生模块、高精度ADC电路模块、电流电压转换与测量模块三部分组成。其中PWM波形由MSP430单片机内部定时器通过程序配置生成。高精度ADC模块原理图如图5所示：

图5 ADC测量模块电路图

采用TI16位高精度ADC——ADS1120实现对输出电压或电流的测量，在ADC每个通道前面加上一级由精密运放OPA335构成的电压跟随器电路，增大输入阻抗；后加一级RC滤波器对直流里面的交流噪声成分进行滤除，使得输入

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AD通道的电压较为稳定。

电流电压测量模块原理图如图6所示：

图6 电流电压测量电路图

采用TI精密仪表放大器INA282实现对流经功率电阻电流的测量，将电阻两端的压降转化为电压输出，从而实现电流测量。最大测量的电流为2A，AD的采样电压在4.096V以内，INA282固定放大倍数为50倍，为了使INA282的输出电压小于4.096V，这里选用0.03欧电阻，2A时输出电压为1.5V。而输入电压通过固定分压比的电阻分压后方可送至ADC电路模块进行测量，分压电阻选用56K和5.6K的电阻，分压比为11分之1，最大可以测量45.056V的电压，满足题目的要求。

2.3辅助电源模块

辅助电源作为整个控制与测量电路供电来源，题目要求辅助电源来源于220V交流电或者Us，因为工频变压器比较笨重，很难满足题目不超过500g的要求，所以这里选择从Us处供电，采用7818、7812、7805三端稳压芯片提供控制电路的电压。

3整体软件设计

系统采用TI公司的超低功耗MSP430单片机作为主控制器。为了保证程序准确定时地执行，将处理程序放在系统定时器中断中进行[5]。系统的整体软件流

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程图如图8所示，PID控制占空比调节流程图如图9所示：

采样初始化计算误差e(k)=Set_Volt-Real_Volt是否有中断N到来？计算占空比增量Duty=Kp*e(k)+Kd*[e(k)-e(k-1)]YAD采集、键盘扫描、PWM输出改变占空比 图8 系统整体软件流程图

图9 PID控制占空比流程图4测试与分析

4.1步进精度测试

设定U2=30V条件下，步进精度测试如下表1所示：

表1 步进精度测试

设定电流I0(A) 电流I1(A) 电流误差 1 1.001 0.1% 1.3 1.298 0.15% 1.6 1.601 0.06% 2 1.998 0.1% 电流步进值 0.01A 4.2电流变化率测试

设定I1=2A，电流变化率测试下表2所示：

表2 电流变化率测试

设定U2(V) 测试电流I1(A) 电流变化率 24 I12=1.998 30 I1=1.996 0.15% 36 I11=2.002

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4.3变换器效率测试

设定I1=2A，U2=30V，变换器效率测试如下表3所示：

表3 变换器效率测试

测试功率 效率 I2 U2 I1 U1 1.53A 29.998V 2.001A 21.839 95.1% 4.4显示模块测试

表4 显示模块测试

设定电流 实际电流 显示屏显示值 显示误差 1A 1.002A 1.001A 0.1% 1.5A 1.498A 1.499A 0.1% 2A 2.003A 2.001A 0.1% 4.5过充保护测试

表5 过充保护测试

停止充电电压值 设定I1=2A 23.95V 4.6放电效率测试

设定U2=30V，变换器效率测试如下表6所示：

表6 放电效率测试

测试功率 效率 I2 U2 I1 U1 97.5% 1.03A 30V 1.618A 18.702V

4.7模式切换测试

表7 模式切换测试

Us(V) 测试电压U2(V) 自动双向工作 32 30.1 34 29.9

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36 29.8 4.8重量测试

表8 重量测试

系统总重量 492g 通过以上测试可知,本设计较好的满足了题目的所有要求，且由软件实现反馈环路，输出电压电流情况实时显示，系统控制可灵活操作。

5设计总结

本次设计相比于硬件电路调节PWM占空比而言，灵活性更强，人为可操控因素更多。设计中所选的器件均具有相当高的性价比，如MSP430微控制器，IR2104驱动器，ADS1120采样芯片等等，经济简洁，实用性强。

6参考文献

[1]黄智伟编著.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,2006.12

[2]杨荫福等编著.电力电子装置及系统.北京:清华大学出版社,2006.9 [3]忠炎平主编.电力电子电路设计.武汉:华中科技大学出版社,2010.4

[4]黄争编著.2009年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集. 上海:德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学部,2009.12

[5]王兆安、刘进军主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2009.5

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附录1：

附图1 双向DC-DC变换器总原理图

附图2 ADS1120采样总原理图

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附图3 作品照片

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