一種雙向DC/DC變換器的研究與設計

胡尹

摘要：本系統TPS4530為核心設計了高效率的DC/DC變換電路，此電路是用脈寬調制工作方式，通過開關管把直流電斬成方波并調節方波的占空比來改變電壓，來達到對電池恒流充電的效果；通過L7805CV正電壓穩壓器模塊作為系統的輔助電源，方便控制。本系統具有過流保護及熱關斷功能，并以數碼管顯示其電流的變化。

關鍵詞：雙向Dc/Dc變換電路；TPS4530；測控電路；步進控制

雙向DC-DC變換器是實現直流變換器兩象限運行的電路，用于實現直流電能的雙向傳輸，實質上是兩個單向直流變換器。對于它的研究，國內外有眾多文章介紹它的設計與開發方法。本文則從減少設備體積與重量的角度，兼顧效率的前提下進行設計和研究，有一定的參考價值。

1.設計方案的論證與選擇

方案一：采用LM2596開關電壓調節器組成DC/DC變換電路，它能夠輸出3A的驅動電流，可調電壓輸出范圍在12-37v之間，具有過流保護和限流保護功能，效率達到80%，但是不能將效率提高到90%至以上。

方案二：采用雙向DC/Dc變換電路模塊，找不到完全符合設計要求的模塊。

方案三：采用TPS5430組成電路，該芯片同樣具有高電流輸出，達到3A，寬電壓輸入范圍在5.5～36v之間，高轉換效率達到了95%，有過流保護及熱關斷功能，與其他同類型直流開關電源轉換芯片相比更符合題目要求。

綜合以上3種方案，選擇方案三。

2.輔助電源的論證與選擇

方案一：工頻電源（220v）為其供電。

方案二：使用直流穩壓電源（U處）與L7805芯片電路為其供電。

綜合考慮采用方案二。

3.系統理論分析與計算

3.1雙向DC/DC變換電路的分析

直流變換電路主要工作方式是脈寬調制（Pulse WidthModulation，PWM）工作方式，基本原理是通過開關管把直流電斬成方波（脈沖波），通過調節方波的占空比（脈沖寬度與脈沖周期之比）來改變電壓。

圖1左上部是一個斬波基本電路，U_D是輸入的直流電壓，堤開關管，U_R是負載R上的電壓，開關管V把輸入的U_D斬成方波輸出到R上，右上部線為斬波后的輸出波形，方波的周期為T，在V導通時輸出電壓等于u_d導通時間為t_on在V關斷時輸出電壓等于0，關斷時間為t_off占空比D=t_on/T，方波電壓的平均值與占空比成正比。改變脈沖寬度即可改變輸出電壓，在時間t₁前脈沖較寬、間隔窄，平均電壓（URT）較高；在時間t₁后脈沖變窄，平均電壓（U_R2）降低。固定方波周期r不變，改變占空比調節輸出電壓就是PWM法，也稱為定頻調寬法。

3.2芯片公式與元器件選擇

該款TPs5430在PH和GND之間接外部鉗位二極管。選定的二極管必須滿足大于該系統的絕對最大額定值：反向電壓必須比最高PH電壓還高，這是vINMAX+0.5，峰值電流必須大于IOUTMAx再加上峰值電感電流一半。重要的是要注意該二極管傳導時間通常長于高側FET，因此重視對二極管參數配置可以使整體效率顯著提高。對于這個二極管，反向電壓40v，正向電流3A，正向壓降為0.5V。

C1=10uF，C2=0.01uf，C3=220uF

L1=22uH

Rl=10kQ，R2=510Ω

3.3輔助電源的分析

輔助電源使用L7805芯片模塊為其供電，C1，G3為小電容，過濾低頻信號；C2，C4為大電容，過濾高頻信號。取C1=G=0.1uF，G2=4700uF，C4=1000uF。

4.電路與程序設計

4.1主電路的設計

系統電路的總體框架如圖2所示。

4.2輔助電源設計

輔助電源需自制或自備，可由7805芯片模塊為其供電。輔助電源電路子系統電路如圖3所示。

5.結語

通過對這個課題的設計，設計小組學到了很多在課堂上學不到的知識，對單片機有了更多的認識。在設計中也不可避免地遇到了很多問題，如經過選擇排除的TPS5430芯片并不能在軟件庫里找到并仿真，在面包板上搭建的電路因為二極管選擇錯誤，出現了過熱的問題，好在經過反復試驗已經基本完成了設計的要求。