高效率雙向DC-DC電源模塊設計

費艷玲,孫士平,黎子娟,陸蔚,李杰 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

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高效率雙向DC-DC電源模塊設計

費艷玲,孫士平,黎子娟,陸蔚,李杰 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

使用STC12C5A60S2高速單片機為控制器，控制由TPS54340和LM3478芯片組成的降壓和升壓模塊組，實現了一種高效率雙向DC-DC變換供電系統。系統實現了UPS電源的功能，采用PID算法實現對電池的恒流充電，充電效率高達91%以上，采用恒壓模式對電池進行放電(對負載恒壓供電)，效率高達93%以上。系統同時設計了過充保護功能以及自動切換充放電功能，可實現對輸入電壓、輸出電壓和電流的自動監測,可以直接掛接于無人值守的小型太陽能和風能智能監控、照明、信號燈控制等清潔能源應用系統。

雙向DC-DC變換；UPS電源；過充保護；自動切換；清潔能源

隨著太陽能、風能等清潔能源的不斷開發利用，給電子技術的發展也提出了新的挑戰。不僅要求既快又好地開發這些清潔能源，而且同時必須高效可靠地利用好它。街道小區路燈、無人值守的智能監控站、公路測速警示監控系統、交通信號燈和民用照明等都可以用太陽能和風能等綠色能源替代。太陽能和風能易受環境條件的影響，產生的電能存在著很大的起伏變化而導致其不穩定性。而大眾電能應用系統，要求其供電電壓具有一個相對穩定的值，這就需要對這種不穩定的太陽能和風能系統進行穩定化處理。目前最有效的處理方法是采取蓄電池對電能進行存儲，再利用蓄電池對外恒壓供電。因此，為了更好地延長蓄電池的使用壽命，筆者期望做到對電池進行恒流充電；蓄電池放電過程中不能隨著電量的消耗而發生供電電壓的波動，即放電過程必須恒壓對外供電；對蓄電池的恒流充電和恒壓放電應盡可能實現高效轉換控制，電能的轉換利用率至少達到90%以上；對電池的充放電電壓、電流進行實時監控，并進行實時保護；系統設計轉換精度高、實現智能化、模塊化等功能。而開關電源以其高效節能帶來的巨大經濟效益引起了社會各方面的重視并得到迅速推廣[1]，故選用開關電源。

1 DC-DC硬件電路設計

1.1 系統總體方案設計

為了實現上述供電控制系統的要求，硬件系統設計從功能要求、精度指標、監控等方面作了要求，系統需要滿足如下基本要求：實現充電電壓在一定范圍內變化時，恒流充電電流的變化率越小越好(要求小于1%)；充電恒流電流可調，步進值越小越好，電流控制精度越高越好(高于 5%)；測量并顯示充電電流，測量精度越高越好(高于2%)；具有過充保護功能，當充電電池電壓超過閾值30V時，停止充電；蓄電池放電工作時，保持輸出電壓值不變，且變換器效率越高越好(要求高于95%)；加載的充電電壓(太陽能或風能電壓)變化時，雙向 DC-DC電路能夠自動轉換工作模式并保持輸出電壓不變。

筆者設計出了如圖1所示的系統總體設計方案。在具體方案實施中,筆者以2015年全國大學生電子設計競賽的A題為例進行驗證說明,其要求如下：設計并制作用于電池儲能裝置的雙向 DC-DC 變換器，實現電池的充放電功能，其功能可由按鍵設定，亦可自動轉換。系統結構如圖2所示，電池組由 5 節18650型、容量2000～3000mAh的鋰離子電池串聯組成,所用電阻阻值誤差的絕對值不大于 5%。

圖1 系統總體設計方案

圖2 電池儲能裝置結構框圖

1.1.1 基本要求

接通S1、S3，斷開S2，將裝置設定為充電模式。U2=30V 條件下，實現對電池恒流充電。充電電流I1在1～2A 范圍內步進可調，步進值不大于 0.1A，電流控制精度不低于 5%；設定I1=2A，調整直流穩壓電源輸出電壓，使U2在 24～36V 范圍內變化時，要求充電電流I1的變化率不大于 1%；設I1=2A，在U2=30V條件下，變換器的效率90%；測量并顯示充電電流I1，在I1=1～2A范圍內測量精度不低于 2%；具有過充保護功能：設定I1=2A，當U1超過閾值U1th=24±0.5V 時，停止充電。

1.1.2 放電部分

1)斷開S1、接通S2，將裝置設定為放電模式，保持U2=30±0.5V，此時變換器效率95%。

2)接通S1、S2，斷開S3，調整直流穩壓電源輸出電壓，使Us在 32～38V 范圍內變化時，雙向 DC-DC 電路能夠自動轉換工作模式并保持U2=30±0.5V。

1.2 降壓電路的設計

該降壓電路是把一個30V的輸入電壓降到18.5V左右，且該電源是一個恒流源，輸出電流需要始終保持在一個恒定的狀態，最大2A，且轉換效率要超過90%。根據要求選擇2種芯片，分別為TPS5450和TPS54340。TPS5450輸入電壓范圍為5.5～36V，TPS54340的輸入電壓范圍為4.5～42V，考慮到TPS54530的耐壓值更高，穩定性更強，故筆者選擇TPS54530作為降壓芯片。降壓電路如圖3所示，其中,Vin為電源輸入端，電壓范圍24～36V，Vout為電壓輸出端，DA為控制端，通過調節DA端的電壓控制降壓模塊的電壓輸出[2]。

圖3 降壓電路

當DA端懸空時,根據TPS54340的數據手冊可得:

(1)

根據電阻的實際參數，取Rfb1=10kΩ，Rfb2=270kΩ，代入式(1)得到Vout≈22.4V。電感L1為:

(2)

當Vin=36V，Vout=20V，fSW=600kHz，KIND=0.3，代入式(2)計算可得L1≈240uH。

當改變DA端的電壓時，降壓模塊的輸出電壓改變，可以通過改變輸出電壓，來改變電池的充電電流。由電路的疊加原理以及內部特性可得：

(3)

1.3 升壓電路的設計

而升壓電路要求電池恒壓放電，經過 DC-DC 變化輸出30V的電壓，要求效率達到 95%,有如下2種實現方式。

方式1：非同步升壓轉換器。TPS55340 是一款單片非同步開關穩壓器，該穩壓器帶有集成的 5A，40V 電源開關。 輸出電流達到5A，效率能達到98%，滿足要求。

方式2：采用同步升壓轉換器。LM3478是一種同步升壓控制器，其最大輸入電壓達到45V，轉換效率能達到98%，足夠滿足要求。

在實際測試比較中發現LM3478的轉換效率比TPS55340更高，故采用LM3478作為升壓芯片[3]。升壓電路如圖4所示，其中，Vin為電源輸入端，電壓范圍19～20V，Vout為電壓輸出端。

根據LM3478的數據手冊可知：

Rfb4=(1.266V·Rfb3)/(Vout-1.26V)

(4)

取Rfb4=22.6kΩ，Rfb3=1kΩ，代入式(4)可得Vout≈30V。

1.4 充放電自動轉換電路及電流檢測電路的設計

充放電自動轉換電路如圖5所示，單片機讀取到A/D采集結果得到U2。當電壓U2大于30V時，繼電器接通充電檔位，當電壓U2的電壓小于30V時，繼電器接通放電檔位。電流檢測電路如圖6所示，通過IN端子將電路串接在所需檢測的電路中，采集INA271輸出值，即可得到電流值[4]。

圖4 升壓電路

圖5 充放電自動轉換電路

圖6 INA271電流采集電路

2 軟件設計

利用STC12C5A60S2系列單片機，實現了按鍵掃描、電流采集、電流控制、過充保護和電壓采集等功能，系統控制精確，閉環回路運行穩定[5]。系統主程序流程圖如圖7所示，結合PID算法實現電池的恒流充電控制和對電流的閉環控制其程序如圖8所示，圖9為采用TLV2543芯片采集電壓，電壓采用冒泡法中值濾波并有過充保護的流程圖。

圖7 系統主程序流程圖

圖8 PID算法閉環控制程序圖

圖9 TLV2543芯片采集電壓流程圖

3 試驗驗證

3.1 電流測試

使用萬用表測量電池的充電電流，此時U2=30V，通過按鍵步進調整充電電流，記錄萬用表讀數和設定值。其中U2為充電輸入電壓，I10設定電流值，I1為實際測量值。由表1可知，精度滿足要求。

表1 充電電壓不變步進控制電路的精確度表格

3.2 充電效率測試

在設定I1=2A，在U2=30V條件下 ，由表2可知，效率值達到要求。

3.3 放電測試

表2 充電效率測試表格

斷開S1、接通S2，將裝置設定為放電模式,使用萬用表測量U2，記錄萬用表讀數，如表3所示。由表3測試結果可知，放電時U2能保持在30±0.5V范圍內。

3.4 雙向DC/DC電路自動轉換測試

接通S1、S2，斷開S3，調整直流穩壓電源輸出電壓，使Us在32～38V范圍內變化，記錄對應的U2值，測試結果如表4所示。

表3 放電電壓的電壓值測試表格

表4 自動轉換電路時保持Us在一定范圍內U2的值變化

由表4結果可知，系統雙向 DC-DC 電路能夠自動轉換工作模式并保持U2=30±0.5V，因此能達到要求。

4 結語

通過測試結果數據分析可知，系統能對不穩定的太陽能和風能等系統進行穩定化處理，使之既能夠恒流充電又能恒壓放電。充放電的效率都超過了90%，提高電能轉化的效率和能源的利用率，并結合軟件自動進行切換充放電，節省了人力勞動資源，加之該系統有自動顯示裝置和過充保護功能，完全滿足現代化的要求，也可以按照人為的改變步進從而改變充電的快慢，其控制精度高于5%。

[1]邱濤文.開關電源的發展及技術趨勢[J].電力技術，2008(6)：54～56.

[2]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計(修訂版)[M].北京：電子工業出版社,2005.

[3]林國漢.一種新型高效率BOOST變換器的設計[J].通信電源技術，2008(3)：39～41.

[4]李瑤,李進.多功能DC-DC變換器系統設計[J].工業控制計算機，2016(8)：119～120.

[5]侯智，牛曉園，趙斯博，等.基于MSP430的雙向DC-DC數控電源設計[J].電子技術與軟件工程，2015(24)：121.

[編輯] 張濤

2016-07-18

中國石油科技創新基金項目(2014D-5006-0306);大學生創新創業中心資助項目(5011500838)。

孫士平(1968-)，男，副教授，現主要從事儀器儀表和控制理論與應用方面的研究工作;E-mail:sunshiping@126.com。

TM46

A

1673-1409(2016)34-0036-06

[引著格式]費艷玲,孫士平,黎子娟,等.高效率雙向DC-DC電源模塊設計[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(34)：36～41.