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VOUT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：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。

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 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 样电压在以内，INA282 固定放大倍数为 50 倍，为了使 INA282 的输出电压小于， 这里选用欧电阻，2A 时输出电压为。

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 和的电阻，分压比为 11 分 之 1，最大可以测量的电压，满足题目的要求。

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]。

系统的整体软件流程 图如图 8 所示，PID 控制占空比调节流程图如图 9 所示：初始化是否有中断 N到来？Y AD采集、键 盘扫描、PWM输出采样计算误差 e(k)=Set_Volt-Real_Volt计算占空比增量 Duty=Kp*e(k)+Kd*[e(k)-e(k-1)]改变占空比图 8 系统整体软件流程图4 测试与分析步进精度测试图 9 PID 控制占空比流程图设定 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%%%2%电流变化率测试电流步进值设定 I1=2A，电流变化率测试下表 2 所示：表 2 电流变化率测试测试电流设定 U2(V)I1(A) 电流变化率24I12=30 36变换器效率测试I1=%I11=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I2U2I1U1%显示模块测试设定电流 1A表 4 显示模块测试实际电流显示屏显示值2A过充保护测试设定 I1=2A表 5 过充保护测试停止充电电压值显示误差 % % %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I2U2I1U130V效率 %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 32工作3436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, [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, [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, [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, [5]王兆安、刘进军主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社,附录 1：附图 1 双向 DC-DC 变换器总原理图 附图 2 ADS1120 采样总原理图附图3 作品照片。