基于單片機的雙向DC-DC充放電電路設計

簡 繁，李澤滔

（貴州大學 電氣工程學院，貴陽550025）

0 引 言

隨著環境和資源帶來的問題越來越多，各國相關領域的研究人員都在極力尋找一些清潔能源來代替傳統的能源，緩解能源危機和環境壓力。中國更是注重生態文明建設，將綠色協調可持續發展寫入了國家的方針政策，中國的現代化建設是離不開新能源的開發利用的。新能源綠色環保，來源豐富，屬于可再生能源，極大地緩解環境污染日益嚴重和資源不足的難題。但是由于新能源的分布不均勻且受到地理環境和氣候條件的限制，對儲能的需求極大。如今常見的儲能器件主要有蓄電池，超級電容器和超導線圈［1］。儲能技術的應用對雙向DC-DC變換器提出了新的挑戰，雙向DC-DC變換器貫穿儲能過程的始終，具有很大的應用前景，受到了廣泛關注。雙向DC-DC變換器雖然理論技術已經趨于成熟，但在效率、經濟性以及實際應用的研究上還有待完善［2］。

本次設計的系統選用了雙向Buck／Boost拓撲結構，在單片機STM32F103C8T6的控制下，實現對超級電容的充放電。首先，基于系統的設計，設計各個模塊的硬件電路方案，主要有主電路、控制電路，驅動電路和輔助電源電路；其次，軟件流程圖的設計；最后，對系統進行測試分析，檢驗該充放電系統是否能實現預期的功能和滿足系統的性能參數要求。

1 系統總體設計

本次設計主要是搭建一個雙向DC-DC充放電電路，利用該電路來對超級電容恒流充電和恒壓放電。雙向DC-DC充放電電路在充電時處于降壓模式，在放電時處于升壓模式，充放電模式的轉換，需要用到按鍵電路模塊來實現。要控制恒流充電和恒壓放電，需要對電流和電壓進行采集，因而需要電流和電壓采樣電路模塊。觀察充電電流、超級電容端電壓和負載電壓等實時數據，需要用到顯示器電路模塊。雙向DC-DC充放電電路中的MOS管需要驅動信號才能導通，所以系統中還應包括驅動電路模塊。若超級電容過充，可能會損壞，因此電路中還應有防過充保護模塊。系統中芯片都需要供電才能工作，且每個芯片的供電電壓不同，系統應有輔助電源模塊，對不同芯片供電。綜上所述，本次設計的雙向DC-DC充放電電路系統中包括主電路雙向DC-DC變換器模塊，控制器模塊，驅動模塊和輔助電源模塊，該系統的總體設計如圖1所示。

圖1 系統的總體設計圖Fig.1 Overall design of the system

2 硬件電路設計

2.1 主電路雙向DC-DC變換器設計

非隔離型雙向Buck／Boost變換器的轉換效率高、拓撲結構不復雜、驅動和控制電路易設計、設計的成本低、輸入和輸出端有電感，電流的紋波不是太大、適用于小功率、無需電氣隔離的場合，符合本次設計的要求［3］。因此，本次設計的主電路采用非隔離型雙向Buck／Boost變換器，如圖2所示。

圖2 主電路圖Fig.2 Overall design of the system

2.2 控制器設計

STM32F103C8T6單片機上集成了很多模塊，例如時鐘模塊、復位電路和電源管理電路等等，使用方便。該單片機支持串行單線調試（SWD）和JTAG接口調試，調試方便，性能優勢明顯，價格便宜，選用該單片機能完成本次設計需求。控制電路圖如圖3所示。

2.3 驅動電路設計

選用美國IR公司生產的IR2110芯片構成的電路作為驅動電路。IR2110具有光電隔離體積小和電磁隔離響應速度快的性能優點，適用于中小功率場合。該芯片還具有10～20 V的柵極驅動電壓，能夠驅動IRF3205，使其正常工作。將單片機產生的PWM波輸入到該芯片，可產生兩路反相互補的驅動信號，分別是高端MOS驅動H驅動和低端MOS驅動L驅動，高端驅動可以通過自舉電容驅動源極不在地端的MOS管，該驅動芯片構成的驅動電路如圖4所示。

2.4 采樣電路設計

檢測電阻采樣的方式操作簡單，抗干擾能力強，測量的精度高，本次設計采用了檢測電阻采樣的方式對電流進行采樣。利用檢測電阻采樣的方式采樣電流，直接在超級電容和電感之間的電流輸入端串聯一個阻值約為50 mΩ的采樣電阻，將采樣得到的電流信號經過LM358集成運放放大，最終變成電壓信號；將該信號送入單片機進行運算，得到的輸出電壓與充電電流成正比，即可求得超級電容的充電電流。該采樣電路原理圖如圖5所示。

圖3 控制電路Fig.3 Control circuit

圖4 驅動電路Fig.4 Drive circuit

圖5 電流采樣電路Fig.5 Current sampling circuit

在小功率場合中的電壓采樣通常采用電阻分壓的方式，利用兩個確定比例的電阻，將所測電壓分為兩部分，其中將分得的小電壓送入單片機進行運算，最終可求得所測電壓。這種采樣方式電路簡單，采樣算法簡單，但是分壓電阻將會帶來一定的損耗。就本次的設計而言，由于電壓不是太大，分壓電阻上的電流為mA級別，相應損耗的功率為mW級別，所以本次設計采用該方式來采集電壓時，其損耗可以忽略不計。

2.5 防過充保護電路設計

在實際應用中，如果不加干預讓超級電容一直處于充電狀態下，很有可能會毀壞超級電容和充電電路，因此，設計中必須考慮超級電容過充的保護，本次設計通過分壓電阻實時檢測超級電容兩端的電壓，當檢測到超級電容兩端的電壓為極限值時，切斷PWM控制信號，停止超級電容的充電。

2.6 顯示電路設計

本次設計采用IIC通信的OLED12864顯示屏，其接口電路和操作指令簡單，單片機只需通過兩條數據總線（SCL和SDA）就能控制OLED工作，其外圍接口電路如圖6所示。

圖6 OLED外圍接口電路Fig.6 OLED peripheral interface circuit

2.7 按鍵輸入電路設計

本設計可以通過按鍵來對充放電模式進行切換，按鍵的外圍接口電路簡單，只需要在控制器和按鍵之間接上一組上拉電阻。采用按鍵，操作簡單，便于調試。按鍵模塊的外圍接口電路如圖7所示。

圖7 按鍵外圍接口電路Fig.7 Keypad peripheral interface circuit

2.8 輔助電源電路設計

為了使充電電路系統穩定工作，需要兩個供電電源，分別為12 V電源適配器和7805穩壓芯片。12 V適配器的電壓直接給IR2110驅動芯片和LM358集成運放芯片供電，再通過由7805構成的穩壓模塊降壓到5 V，給單片機供電。輔助電源模塊的電路圖如圖8所示。

圖8 輔助電源電路Fig.8 Auxiliary power supply circuit

3 系統的軟件設計

3.1 軟件設計思想

軟件部分主要的任務是完成超級電容的恒流充電和恒壓放電的控制、充放電的快速切換、實時顯示系統的充電電流和放電電壓等值，本設計采用的電力電子開關器件的控制方式是脈沖寬度調制，即改變占空比的控制方式。軟件部分包括PWM產生模塊、ADC電流電壓檢測模塊、按鍵模塊、OLED顯示模塊。

本次設計的程序有主函數和子函數，其中，主函數通過按鍵來選擇主電路的工作方式，即充電模式和放電模式，子函數包括充電模式程序、放電模式程序和定時器中斷服務程序等。

3.2 主函數設計

主函數主要的功能是通過外部按鍵來對主電路充電模式和放電模式的選擇。主函數的程序流程圖如圖9所示，單片機上電進行初始化，通過外部按鍵檢測，若檢測到是模式一，則進入放電模式，否則檢測是否為模式二，若是，則進入充電模式。

圖9 主函數程序流程圖Fig.9 Flowchart of main function program

3.3 子函數程序設計

通過單片機模／數轉換功能讀取實時的充電電流，將該電流與預設的充電電流作差，通過電流反饋調節，改變MOS管驅動信號的占空比來調節充電電流，對電流進行多次采樣，最后用平均法濾波實現對恒流充電的控制。

當充電電流達到預設值時，再通過判斷檢測到的輸出電壓是否達到超級電容組的最大耐壓值，若達到最大耐壓值，則單片機切斷PWM信號，停止充電；否則，將繼續充電，實現過充保護，充電模式的程序流程圖如圖10（a）所示。

放電模式下，將并聯電阻檢測到的負載電壓送入單片機運算，然后與預設的放電電壓相比較，再通過電壓反饋調節，改變MOS管驅動信號的占空比，若電壓沒穩定在預設值，則繼續調節，最終實現輸出電壓穩定為預設值，放電模式的程序流程圖如圖10（b）所示。

4 調試及結果分析

4.1 測試系統

系統的軟硬件分析完成以后，根據硬件部分的設計搭建系統的實物，然后利用前面的軟件設計來進行調試，通過調試結果，可以分析本次設計是否達到了設計任務的要求，是否滿足各方面的性能參數的要求以及充放電效率能達到多少，系統測試是本次設計的一個重要環節，測試系統如圖11所示。

圖10 子函數程序流程圖Fig.10 Flowchart of sub function program

圖11 測試系統Fig.11 Testing system

4.2 結果分析

本次設計中電力電子開關器件采用PWM控制方式，充放電模式過程中的MOS管的PWM波分別如圖12和圖13所示。

充電模式和放電模式的兩只開關管的驅動脈沖都是兩路反相互補的PWM波。其中，示波器通道1是MOS管Q1的驅動信號，通道2是MOS管Q2的驅動信號，充放電模式下驅動信號的占空比不同，充放電過程中兩只開關管交替導通，但是總有一只開關管作為主導通管，從兩路驅動信號的占空比可知，充電時，Q1作為主導通管，放電時，Q2作為主導通管，該兩路反相互補驅動信號的測試結果與理論分析中的結果相符。

圖12 充電模式下的兩路反相互補的波形Fig.12 Two reverse phase complementary waveforms in charging mode

圖13 放電模式下的兩路反相互補的波形Fig.13 Two reverse phase complementary waveforms in discharge mode

本次設計的雙向DC-DC充放電電路實現了對超級電容恒流充電和恒壓放電，其中，充電電流和放電電壓的大小分別為5 A和48 V。

充電過程中輸出的功率不斷的變化，所以輸入功率也在變化，因此，只能求出超級電容的能量，無法得到輸入的能量，故不能直接求該充電系統的效率，將超級電容端換成電阻負載，經測試，該充電系統的效率達到90%以上。

5 結束語

本次設計在單片機STM32F103C8T6的控制下，設計了一個充放電系統，不僅使超級電容實現了恒流充電和恒壓放電，而且能夠實現充放電模式的切換和過充保護，各項性能指標均滿足設計要求。