一種雙向DC/DC變換器的研究與設(shè)計(jì)

胡尹

摘要：本系統(tǒng)TPS4530為核心設(shè)計(jì)了高效率的DC/DC變換電路，此電路是用脈寬調(diào)制工作方式，通過開關(guān)管把直流電斬成方波并調(diào)節(jié)方波的占空比來改變電壓，來達(dá)到對電池恒流充電的效果；通過L7805CV正電壓穩(wěn)壓器模塊作為系統(tǒng)的輔助電源，方便控制。本系統(tǒng)具有過流保護(hù)及熱關(guān)斷功能，并以數(shù)碼管顯示其電流的變化。

關(guān)鍵詞：雙向Dc/Dc變換電路；TPS4530；測控電路；步進(jìn)控制

雙向DC-DC變換器是實(shí)現(xiàn)直流變換器兩象限運(yùn)行的電路，用于實(shí)現(xiàn)直流電能的雙向傳輸，實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)單向直流變換器。對于它的研究，國內(nèi)外有眾多文章介紹它的設(shè)計(jì)與開發(fā)方法。本文則從減少設(shè)備體積與重量的角度，兼顧效率的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，有一定的參考價(jià)值。

1.設(shè)計(jì)方案的論證與選擇

方案一：采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器組成DC/DC變換電路，它能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，可調(diào)電壓輸出范圍在12-37v之間，具有過流保護(hù)和限流保護(hù)功能，效率達(dá)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(shè)計(jì)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(dá)到3A，寬電壓輸入范圍在5.5～36v之間，高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了95%，有過流保護(hù)及熱關(guān)斷功能，與其他同類型直流開關(guān)電源轉(zhuǎn)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(wěn)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(tǒng)理論分析與計(jì)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(diào)制（Pulse WidthModulation，PWM）工作方式，基本原理是通過開關(guān)管把直流電斬成方波（脈沖波），通過調(diào)節(jié)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(gè)斬波基本電路，U_D是輸入的直流電壓，堤開關(guān)管，U_R是負(fù)載R上的電壓，開關(guān)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(dǎo)通時(shí)輸出電壓等于u_d導(dǎo)通時(shí)間為t_on在V關(guān)斷時(shí)輸出電壓等于0，關(guān)斷時(shí)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(shí)間t₁前脈沖較寬、間隔窄，平均電壓（URT）較高；在時(shí)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(diào)節(jié)輸出電壓就是PWM法，也稱為定頻調(diào)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(tǒng)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(dǎo)時(shí)間通常長于高側(cè)FET，因此重視對二極管參數(shù)配置可以使整體效率顯著提高。對于這個(gè)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(hào)；C2，C4為大電容，過濾高頻信號(hào)。取C1=G=0.1uF，G2=4700uF，C4=1000uF。

4.電路與程序設(shè)計(jì)

4.1主電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路的總體框架如圖2所示。

4.2輔助電源設(shè)計(jì)

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(tǒng)電路如圖3所示。

5.結(jié)語

通過對這個(gè)課題的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)小組學(xué)到了很多在課堂上學(xué)不到的知識(shí)，對單片機(jī)有了更多的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)中也不可避免地遇到了很多問題，如經(jīng)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?yàn)槎O管選擇錯(cuò)誤，出現(xiàn)了過熱的問題，好在經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)已經(jīng)基本完成了設(shè)計(jì)的要求。