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
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。
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。
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 TON TOFF
（1）
其中
VOU
T
为输出加在负载两端的电压，
VIN
为输入电压，
TON TON TOFF
为控制
PWM
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
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。
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
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
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：