基于STC12C5A60S2的雙向DC-DC變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　雙向 DC － DC 變換器（ Bidirectional DC － DC Converter—BDC）是一個(gè) DC － DC 變換器的雙象限運(yùn)行，是在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據(jù)應(yīng)用需要改變電流方向，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的 DC － DC 變換器。它的輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。圖 1 為 BDC 的二端口示意圖，雙向 DC － DC 變換器置于 V1 和 V2 之間，控制其間的能量傳輸。從各種基本的變換拓?fù)鋪砜?，可將其看做兩個(gè)單向 DC － DC 變換器反向并聯(lián)連接，通過改變兩個(gè)單元的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)能量的雙向流動(dòng)，因此雙向 DC － DC 變換器在功能上相當(dāng)于兩個(gè)單向 DC － DC變換器。

　　雙向DC_DC 變換器的原理

　　雙向DC_DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能里雙向傳輸?shù)闹绷鞯街绷髯儞Q器，如圖1所示： 雙向DC_DC變換器置于V1和V2 之間，控制其間的能里傳輸，I1和2分別是V1和V2的平均輸入電流。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，可以通過雙向DC_DC變換器的變換控制，使能里從V1傳輸?shù)絍2，稱為正向工作模式（Forwardmode），此時(shí)I1為負(fù)，而I2為正; 或使能里從V2傳輸?shù)絍1，稱為反向工作模式（Backwardmode），此時(shí)I1為正，而2 為負(fù)。

　　由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使得雙向 DC － DC 變換器的應(yīng)用日益廣泛。尤其是靜態(tài)開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使雙向 DC － DC 變換器不斷朝著高效化、小型化高性能化的方向發(fā)展。雙向 DC －DC 變換器作為典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備，在需要能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，可以大幅度降低系統(tǒng)的體積、重量及成本，具有高效率、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)勢(shì)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。我們以實(shí)際參賽為經(jīng)驗(yàn)，研究并設(shè)計(jì)了基于 STC12C5A60S2 單片機(jī)的雙 DC － DC 變換電路。

　　系統(tǒng)方案論證

　　雙向 DC － DC 模塊的論證與選擇

　　雙向 DC － DC 變換有隔離和非隔離兩種。非隔離型的電路比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且能滿足低壓、大電流場(chǎng)合應(yīng)用，但是其電壓轉(zhuǎn)換比較低; 相反，隔離型的變換器可以實(shí)現(xiàn)較大大的電壓轉(zhuǎn)換比，且相較于非隔離性安全性高，可應(yīng)用于不同功率場(chǎng)合，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等易造成效率的降低。本題沒有要求輸入輸出隔離，且結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，所以選擇非隔離方式。具體有以下幾種方案：

　　（ 1） 方案一： 雙向 Cuk 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器

　　Cuk 型雙向 DC － DC 變換器電路如圖 2 所示，該電路需要兩個(gè)電感將能量經(jīng)過三次傳遞到負(fù)載，因此對(duì)電容傳輸能量的性能要求高，不適用于大功率場(chǎng)合應(yīng)用，且效率比較低，電路較為復(fù)雜，實(shí)際電路應(yīng)用很少。

　?。?2） 方案二： 半橋型雙向變換器

　　把非隔離的半橋型單向 DC － DC 變換的功率二極管變?yōu)殡p向開關(guān)后即構(gòu)成非隔離的半橋型雙向 DC － DC 變換器，其電路如圖3 所示，這種雙向 DC － DC 變流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)單端恒流，開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力小，適合于中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。鑒于上面分析，選用方案二。

　　電流恒定控制模塊的論證與選擇

　　（ 1） 方案一： 實(shí)時(shí)檢測(cè) + 控制器實(shí)現(xiàn)

　　通過電路和控制器對(duì)輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，得到實(shí)時(shí)電流值。如果實(shí)時(shí)電流值大于（ 或小于） 設(shè)定電流值，控制器控制 DC－ DC 使輸出電壓減?。?或增大） ，直至實(shí)時(shí)電流值等于設(shè)定電流值，由此可將電流控制在設(shè)定電流值附近。此方案控制電路簡(jiǎn)單，但是對(duì)控制器的運(yùn)算量和運(yùn)算精確度提出了較高要求，而且存在控制延時(shí)，效果并不理想。

　?。?2） 方案二： 采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管 + 控制器實(shí)現(xiàn)

　　控制器 控 制 雙 向 DC － DC 的 輸 出 電 壓，使 其 逐 步 達(dá) 到 由CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的壓控恒流源的臨界值。電路原理圖如圖 4所示。此方案效率最高，但是若場(chǎng)效應(yīng)管經(jīng)常工作于臨界值，會(huì)使輸出電流動(dòng)態(tài)波動(dòng)很大。

　　3） 方案三： 采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管 + 硬件電路實(shí)現(xiàn)

　　采用 CMOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成壓控恒流源，硬件電路直接反饋，電路原理如圖 5 所示。此方案使控制器不再參與電流控制，因此極大減少了控制器的運(yùn)算量，提高了電路的可靠性。鑒于上面分析，選用方案三。

　　控制電路模塊的論證與選擇

　?。?1） 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機(jī)。可利用其外圍 ADC 以及 DAC 完成系統(tǒng)反饋功能。AT89S51 雖開發(fā)簡(jiǎn)單，初學(xué)者容易上手，但 FLASH 存儲(chǔ)僅 4K 字節(jié)。

　?。?2） 方案二： 采用 FPGA。FPGA 資源豐富，可實(shí)現(xiàn)靈活的編程控制。但是 FPGA 功耗較大，不適于開發(fā)低功耗電源。

　?。?3） 方案三： 采 用 STC 公 司 的 STC12C5A60S2 單 片 機(jī)，是AT89S51 系列的增強(qiáng)版，處理速度增加 8 － 12 倍，其單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá) 60K FLASH ＲOM，因此在性價(jià)比、功耗、難易程度等方面很有優(yōu)勢(shì)。

　　鑒于上面分析，選用方案三。

　　理論分析與計(jì)算

　　充電電流 I1

　　充電電流 I1 由雙向 DC － DC 的實(shí)時(shí)輸出電流和最大輸出電流決定。比賽 要 求 充 電 時(shí)，輸出電流可調(diào)范圍是 1 ～ 2A，根 據(jù)TPS5430 數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的計(jì)算公式：

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖

　　如圖 6 所示，充電時(shí)，系統(tǒng)在輸入 24 ～ 36V 內(nèi)變化，通過雙向DC － DC 變換器的降壓電路輸出到 18650 型鋰電池。放電時(shí)，電池通過雙向 DC － DC 變換器的升壓電路輸出到負(fù)載。單片機(jī)STC12C5A60S2 的鍵盤輸入設(shè)定值，使雙向 DC － DC 變換器輸出電壓，通過驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管和電路反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的恒定與步進(jìn)控制。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定和實(shí)時(shí)電流電壓顯示與過壓保護(hù)功能。

　　主模塊電路

　?。?1） 雙向 DC － DC 變換電路

　　如圖 7 和圖 8，雙向 DC － DC 變換模塊是利用 TPS5430 降壓芯片和 UC3842 升壓芯片構(gòu)成。兩者之間通過可控硅構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)完成充、放電工作模式的轉(zhuǎn)換。

　　（ 2） AD 和 DA 電路

　　本設(shè)計(jì)需要對(duì)輸入、輸出電流進(jìn)行采集，結(jié)合低功耗，高精度等特點(diǎn)，采用 TLC2543 芯片，它是一款 12 位串行輸入，多路采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　電流的大小由 DA 控制。電流控制精度不低于 5% ，因此需要采用比較高精度的 DA，故選用 12 位串行的 TLV5618 芯片。

　　AD 采樣電路、DA 輸出電路分別如圖 9、圖 10 所示。

　　3） 過充保護(hù)模塊

　　該模塊采用軟件控制保護(hù)。充電時(shí)，輸出端接入分壓電阻，經(jīng)AD 進(jìn)行采集，單片機(jī)判斷控制。當(dāng)雙向 DC － DC 電路輸出電壓超過閾值 24 ± 0． 5V 時(shí)，對(duì) TPS5430 的 5 腳使能端低電平，芯片停止工作，輸出電流為 0，達(dá)到過充電保護(hù)目的。

　　參數(shù)分析與計(jì)算

　　根據(jù)輸入、輸出電壓確定場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)最大占空比，得

　　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的控制程序部分由單片機(jī) STC12C5A60S2 來完成，主要用來控制對(duì)電流的 設(shè)定和對(duì)電流誤差的校準(zhǔn)，以及顯示功能。圖11 所示為單片機(jī)控制流程圖。

　　系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

　　測(cè)試電路

　　采用外部電源給系統(tǒng)供電分別測(cè)量輸入電壓 U2，輸入電流I2，輸出電壓 U1，輸出電流 I1。測(cè)試電路如圖 12 所示。

　　測(cè)試過程

　?。?1） 步進(jìn)電流測(cè)試

　　測(cè)試方法： 調(diào)整直流電壓源輸出電壓為 30V，通過單片機(jī)的鍵盤進(jìn)行每次 0． 1A 的步進(jìn)，測(cè)量充電電流在 1 ～ 2A 范圍內(nèi)的電流變化，并計(jì)算電流控制精度。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)： 見表2。

　　測(cè)試結(jié)果： 根據(jù)表 2 所示數(shù)據(jù)，充電電流在 1 ～ 2A 范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，電流控制精度不低于 5% ，滿足基本要求。

　?。?2） 電流變化率測(cè)試

　　測(cè)試方法： 通過單片機(jī)的鍵盤將充電電流穩(wěn)定在 2A，調(diào)整直流電壓源輸出電壓，使其電壓從 24V 開始，調(diào)整到 36V，測(cè)量充電電流的變化，并計(jì)算充電電流變化率。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)： 見表 3。

　　測(cè)試結(jié)果： 根據(jù)表 3 所示數(shù)據(jù)，當(dāng)直流電壓源輸出電壓從 24V調(diào)整到 36V 過程中，電流變化較小，電流變化率 = 0． 50% ≤1% ，滿足基本要求。

　?。?3） 效率測(cè)試

　　測(cè)試方法： 通過單片機(jī)的鍵盤將充電電流穩(wěn)定在 2A，調(diào)整直流電壓源輸出電壓為 30V，測(cè)量輸入電流、充電電壓并計(jì)算效率。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)：

　　測(cè)試結(jié)果： 根據(jù)表 4 所示數(shù)據(jù)，變換器的效率大于 90% ，滿足基本要求。

　?。?4） 電流測(cè)量測(cè)試

　　測(cè)試方法： 根據(jù)用萬用表測(cè)量在 1 ～ 2A 范圍內(nèi)的充電電流的值以及單片機(jī)經(jīng)過采集處理并通過 12860 顯示的電流值，計(jì)算單片機(jī)測(cè)量電流精度。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)： 見表 5。

　　測(cè)量結(jié)果： 根據(jù)表 5 所示數(shù)據(jù)，在 1 ～ 2A 內(nèi)測(cè)量精度不低于2% ，滿足基本要求。

　　5） 過充保護(hù)功能測(cè)試

　　測(cè)試方法： 通過單片機(jī)的鍵盤將充電電流穩(wěn)定在 2A，并逐步增大直流電壓源輸出電壓，使充電電壓超過 24 ± 0． 5V，觀察充電電流變化。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)： 見表 6。

　　測(cè)量結(jié)果： 根據(jù)表 6 所示數(shù)據(jù)，充電電流在充電電壓超過 24 ±0．5V 后，立即趨近于零，滿足過沖保護(hù)功能要求。

　　（ 6） 發(fā)揮部分測(cè)試

　?、贁嚅_ S1、接通 S2，利用靜態(tài)開關(guān)將裝置設(shè)定為放電模式，保持 U2 = 30 ± 0． 5V，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)變換器的平均效率約為 95． 57% ，大于等于 95% ，基本滿足要求。

　?、诮油?S1、S2，斷開 S3，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使 Us 在32 ～ 38V 范圍內(nèi)變化時(shí)，經(jīng)測(cè)量，雙向 DC － DC 電路能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式并保持 U2 在 29． 3 ～ 30． 4V，基本滿足要求;

　?、劢?jīng)精密電子稱測(cè)量，雙向 DC － DC 變換器、測(cè)控電路與輔助電源三部分的總重量約為 437． 6g，不大于 500g，滿足要求。

　　測(cè)試分析與總結(jié)

　　根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

　?。?1） 該變換器輸出充電電流在一定范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，具有較高的電流控制精度;

　?。?2） 該變換器能夠保持較高的電流穩(wěn)定度和電流測(cè)量準(zhǔn)確度;

　　（ 3） 在充電和放電模式下，該變換器工作效率高，并且可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式;

　　（ 4） 該變換器在具有過充電保護(hù)功能，安全性高，且重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

　　綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。