基于STC12C5A60S2的双向DC-DC变换器的系统设计

电源

　　我们生活中使用的 DC/DC 变换器都只能从单一方向进行工作，其最根本原因是功率较大的开关管（像 MOSFT，IGBT）只能处理单一方向上流过的能量，而且主电路上装有二极管，因为其本身的特性，导致能量只能朝一个方向流通。现在，科技和社会的发展相当迅速，人们对电源系统提出了更高的要求，以适应其在不同工业、科研环境下需求。在航空航天系统，I 类负荷不断电系统中，直流电源变换器有着不可或缺的作用。在要求能充放电的系统，比如电动汽车、不允许断电的系统、光伏发电、航空电力等场合中，要求能量可以双向自由流通，而为此做两个电能变换器显然过于笨重，而且增加了成本。双向 DC/DC 变换器（Bi-direConal DC/DCConverter， BDC）就在这样的背景下应运而生了，通过适当的控制，它可以让能量两个方向自由地流动，对比做两个电能变换器，兼顾了变换器的体积、重量，还有成本，提高了效率。双向的 DC/DC 变换器完成了两个设备的工作，而普通的 DC/DC 变换只能完成能量的单向流动。变换器之所以双向流动能量是因为它在原来开关管的基础上并联了一个快恢复的二极管，让其导通电流本来只能在一个象限工作变成了两个。这样的处理方法好处是不用改变输入和输出电压的极性却能控制电流的流
　　双向 DC － DC 变换器（ Bidireconal DC － DC Converter—BDC）是一个 DC － DC 变换器的双象限运行，是在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据应用需要改变电流方向，实现能量双向流动的 DC － DC 变换器。它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。图 1 为 BDC 的二端口示意图，双向 DC － DC 变换器置于 V1 和 V2 之间，控制其间的能量传输。从各种基本的变换拓扑来看，可将其看做两个单向 DC － DC 变换器反向并联连接，通过改变两个单元的工作状态调节能量的双向流动，因此双向 DC － DC 变换器在功能上相当于两个单向 DC － DC变换器。

　　双向DC_DC 变换器的原理

　　双向DC_DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能里双向传输的直流到直流变换器，如图1所示：双向DC_DC变换器置于V1和V2 之间，控制其间的能里传输，I1和2分别是V1和V2的平均输入电流。根据实际应用的需要，可以通过双向DC_DC变换器的变换控制，使能里从V1传输到V2，称为正向工作模式（Forwardmode），此时I1为负，而I2为正; 或使能里从V2传输到V1，称为反向工作模式（Backwardmode），此时I1为正，而2 为负。
　　由于电力电子技术的不断发展，使得双向 DC － DC 变换器的应用日益广泛。尤其是静态开关技术的出现，使双向 DC － DC 变换器不断朝着高效化、小型化高性能化的方向发展。双向 DC －DC 变换器作为典型的“一机两用”设备，在需要能量双向流动的应用场合，可以大幅度降低系统的体积、重量及成本，具有高效率、动态性能好等优势，具有重要的研究价值。我们以实际参赛为经验，研究并设计了基于 STC12C5A60S2 单片机的双 DC － DC 变换电路。
　　系统方案论证

　　双向 DC － DC 模块的论证与选择

　　双向 DC － DC 变换有隔离和非隔离两种。非隔离型的电路比较简单，容易实现，且能满足低压、大电流场合应用，但是其电压转换比较低; 相反，隔离型的变换器可以实现较大大的电压转换比，且相较于非隔离性安全性高，可应用于不同功率场合，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等易造成效率的降低。本题没有要求输入输出隔离，且结合两者的优缺点，所以选择非隔离方式。具体有以下几种方案：
　　（ 1）方案一：双向 Cuk 型拓扑结构变换器
　　Cuk 型双向 DC － DC 变换器电路如图 2 所示，该电路需要两个电感将能量经过三次传递到负载，因此对电容传输能量的性能要求高，不适用于大功率场合应用，且效率比较低，电路较为复杂，实际电路应用很少。
　　（ 2）方案二：半桥型双向变换器
　　把非隔离的半桥型单向 DC － DC 变换的功率二极管变为双向开关后即构成非隔离的半桥型双向 DC － DC 变换器，其电路如图3 所示，这种双向 DC － DC 变流器结构简单，成本低，容易实现单端恒流，开关管的电压、电流应力小，适合于中小功率的应用场合。鉴于上面分析，选用方案二。

　　电流恒定控制模块的论证与选择

　　（ 1）方案一：实时检测 + 控制器实现
　　通过电路和控制器对输出电流进行实时检测，得到实时电流值。如果实时电流值大于（或小于）设定电流值，控制器控制 DC－ DC 使输出电压减小（或增大），直至实时电流值等于设定电流值，由此可将电流控制在设定电流值附近。此方案控制电路简单，但是对控制器的运算量和运算精确度提出了较高要求，而且存在控制延时，效果并不理想。
　　（ 2）方案二：采用 CMOS 场效应管 + 控制器实现
　　控制器控制双向 DC － DC 的输出电压，使其逐步达到由CMOS 场效应管构成的压控恒流源的临界值。电路原理图如图 4所示。此方案效率最高，但是若场效应管经常工作于临界值，会使输出电流动态波动很大。

　　3）方案三：采用 CMOS 场效应管 + 硬件电路实现
　　采用 CMOS 场效应管构成压控恒流源，硬件电路直接反馈，电路原理如图 5 所示。此方案使控制器不再参与电流控制，因此极大减少了控制器的运算量，提高了电路的可靠性。鉴于上面分析，选用方案三。
　　控制电路模块的论证与选择

　　（ 1）方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89S51 单片机。可利用其外围 ADC 以及 DAC 完成系统反馈功能。AT89S51 虽开发简单，初学者容易上手，但 FLASH 存储仅 4K 字节。
　　（ 2）方案二：采用 FPGA。FPGA 资源丰富，可实现灵活的编程控制。但是 FPGA 功耗较大，不适于开发低功耗电源。
　　（ 3）方案三：采用 STC 公司的 STC12C5A60S2 单片机，是AT89S51 系列的增强版，处理速度增加 8 － 12 倍，其单片机内部就自带高达 60K FLASH ＲOM，因此在性价比、功耗、难易程度等方面很有优势。
　　鉴于上面分析，选用方案三。

　　理论分析与计算

　　充电电流 I1
　　充电电流 I1 由双向 DC － DC 的实时输出电流和最大输出电流决定。比赛要求充电时，输出电流可调范围是 1 ～ 2A，根据TPS5430 数据手册给出的计算公式：

　　系统设计实现系统框图

　　如图 6 所示，充电时，系统在输入 24 ～ 36V 内变化，通过双向DC － DC 变换器的降压电路输出到 18650 型锂电池。放电时，电池通过双向 DC － DC 变换器的升压电路输出到负载。单片机STC12C5A60S2 的键盘输入设定值，使双向 DC － DC 变换器输出电压，通过驱动场效应管和电路反馈实现对电流的恒定与步进控制。同时，还可以实现设定和实时电流电压显示与过压保护功能。

　　主模块电路

　　（ 1）双向 DC － DC 变换电路
　　如图 7 和图 8，双向 DC － DC 变换模块是利用 TPS5430 降压芯片和 UC3842 升压芯片构成。两者之间通过可控硅构成的静态开关完成充、放电工作模式的转换。

　　（ 2） AD 和 DA 电路
　　本设计需要对输入、输出电流进行采集，结合低功耗，高精度等特点，采用 TLC2543 芯片，它是一款 12 位串行输入，多路采集的模数转换器。
　　电流的大小由 DA 控制。电流控制精度不低于 5% ，因此需要采用比较高精度的 DA，故选用 12 位串行的 TLV5618 芯片。
　　AD 采样电路、DA 输出电路分别如图 9、图 10 所示。

　　3）过充保护模块
　　该模块采用软件控制保护。充电时，输出端接入分压电阻，经AD 进行采集，单片机判断控制。当双向 DC － DC 电路输出电压超过阈值 24 ± 0． 5V 时，对 TPS5430 的 5 脚使能端低电平，芯片停止工作，输出电流为 0，达到过充电保护目的。

　　参数分析与计算

　　根据输入、输出电压确定场效应管驱动信号最大占空比，得

　　软件设计

　　系统的控制程序部分由单片机 STC12C5A60S2 来完成，主要用来控制对电流的设定和对电流误差的校准，以及显示功能。图11 所示为单片机控制流程图。

　　系统测试与数据分析

　　测试电路
　　采用外部电源给系统供电分别测量输入电压 U2，输入电流I2，输出电压 U1，输出电流 I1。测试电路如图 12 所示。

　　测试过程

　　（ 1）步进电流测试
　　测试方法：调整直流电压源输出电压为 30V，通过单片机的键盘进行每次 0． 1A 的步进，测量充电电流在 1 ～ 2A 范围内的电流变化，并计算电流控制精度。
　　测试数据：见表2。
　　测试结果：根据表 2 所示数据，充电电流在 1 ～ 2A 范围内步进可调，电流控制精度不低于 5% ，满足基本要求。

　　（ 2）电流变化率测试
　　测试方法：通过单片机的键盘将充电电流稳定在 2A，调整直流电压源输出电压，使其电压从 24V 开始，调整到 36V，测量充电电流的变化，并计算充电电流变化率。
　　测试数据：见表 3。
　　测试结果：根据表 3 所示数据，当直流电压源输出电压从 24V调整到 36V 过程中，电流变化较小，电流变化率 = 0． 50% ≤1% ，满足基本要求。
　　（ 3）效率测试
　　测试方法：通过单片机的键盘将充电电流稳定在 2A，调整直流电压源输出电压为 30V，测量输入电流、充电电压并计算效率。
　　测试数据：

　　测试结果：根据表 4 所示数据，变换器的效率大于 90% ，满足基本要求。
　　（ 4）电流测量测试
　　测试方法：根据用万用表测量在 1 ～ 2A 范围内的充电电流的值以及单片机经过采集处理并通过 12860 显示的电流值，计算单片机测量电流精度。
　　测试数据：见表 5。
　　测量结果：根据表 5 所示数据，在 1 ～ 2A 内测量精度不低于2% ，满足基本要求。

　　5）过充保护功能测试
　　测试方法：通过单片机的键盘将充电电流稳定在 2A，并逐步增大直流电压源输出电压，使充电电压超过 24 ± 0． 5V，观察充电电流变化。
　　测试数据：见表 6。
　　测量结果：根据表 6 所示数据，充电电流在充电电压超过 24 ±0．5V 后，立即趋近于零，满足过冲保护功能要求。
　　（ 6）发挥部分测试
　　①断开 S1、接通 S2，利用静态开关将装置设定为放电模式，保持 U2 = 30 ± 0． 5V，经计算，此时变换器的平均效率约为 95． 57% ，大于等于 95% ，基本满足要求。
　　②接通 S1、S2，断开 S3，调整直流稳压电源输出电压，使 Us 在32 ～ 38V 范围内变化时，经测量，双向 DC － DC 电路能够自动转换工作模式并保持 U2 在 29． 3 ～ 30． 4V，基本满足要求;
　　③经精密电子称测量，双向 DC － DC 变换器、测控电路与辅助电源三部分的总重量约为 437． 6g，不大于 500g，满足要求。
　　测试分析与总结

　　根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
　　（ 1）该变换器输出充电电流在一定范围内步进可调，具有较高的电流控制精度;
　　（ 2）该变换器能够保持较高的电流稳定度和电流测量准确度;
　　（ 3）在充电和放电模式下，该变换器工作效率高，并且可以自动转换工作模式;
　　（ 4）该变换器在具有过充电保护功能，安全性高，且重量轻，结构简化。
　　综上所述，本设计达到设计要求。

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