安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院　方　芳

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雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院方芳

【摘要】本設(shè)計(jì)主要由升壓模塊、降壓模塊、單片機(jī)測控模塊等部分組成。升壓模塊包括Boost升壓電路，降壓模塊包括Buck降壓電路。單片機(jī)測控模塊包括AD/DA轉(zhuǎn)換部分，測量及控制電流和電壓輸出，采用51單片機(jī)為控制核心的雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對鋰電池組的充電放電功能，通過脈沖寬度調(diào)制控制MOS開關(guān)管，改變占空比進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出，并且通過單片機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)電流輸出范圍在1A~2A步進(jìn)不大于0.1A，或者輸出電壓30±0.5V時，DC-DC變換效率可達(dá)到95%以上。

【關(guān)鍵詞】鋰電池；TL494；BOOST；BUCK

1　引言

雙向DC-DC變換器技術(shù)可應(yīng)用于鋰電池應(yīng)用中關(guān)鍵的充電放電技術(shù)。此設(shè)計(jì)要求采用雙向DC-DC變換器進(jìn)行能量流動的雙向控制，實(shí)現(xiàn)充電放電一體化，優(yōu)化鋰電池的控制結(jié)構(gòu)的同時提升了充放電的運(yùn)行效率和性能,大大降低鋰電池在充放電的過程中能源損耗過于嚴(yán)重的問題。本設(shè)計(jì)利用雙向DC-DC變換電路的結(jié)構(gòu)，輔助單片機(jī)測控模塊，實(shí)現(xiàn)對于DC-DC模塊的測量顯示和輸出電路的電流步進(jìn)控制。鋰電池的充電方式要求，實(shí)現(xiàn)對電池的恒流充電，充電電流在1~2A的范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)；鋰電池的放電方式要求，實(shí)現(xiàn)30±0.5V的穩(wěn)壓輸出，轉(zhuǎn)換效率≥95%。

2　設(shè)計(jì)任務(wù)

系統(tǒng)主要由升壓模塊、降壓模塊、單片機(jī)測控模塊等部分組成。DC-DC變換系統(tǒng)圖如圖1所示。升壓模塊包括Boost升壓電路，降壓模塊包括Buck降壓電路。單片機(jī)測控模塊包括AD/DA轉(zhuǎn)換部分，測量并控制電流和電壓輸出。通過控制部分以脈沖寬度調(diào)制。

圖1　DC-DC變換器系統(tǒng)圖Fig.1 DC-DC converter system diagram

的方式對DC-DC變換器進(jìn)行控制，并且能夠數(shù)顯數(shù)據(jù)，利用A/D以及D/A轉(zhuǎn)換,通過TL494控制MOS管的導(dǎo)通，通過BOOST升壓電路和BUCK降壓電路實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)對鋰電池組的恒流充電和恒壓放電。

3　原理分析

3.1升壓電路設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用升壓式(Boost)直流變換電路整個電路由功率開關(guān)管Q、儲能電感L、二極管D及濾波電容C組成。

圖2　　升壓仿真圖Fig. 2 boosting principle

圖3　降壓仿真圖Fig. 3 schematic diagram of the buck

在實(shí)際設(shè)計(jì)中整個電路充電放電狀態(tài)由TL494控制，仿真圖如圖2所示：在充電過程中，TL494產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號驅(qū)動Q1、Q2、Q3三個并聯(lián)的N-MOSFET管導(dǎo)通，N-MOSFET管導(dǎo)通處相當(dāng)于導(dǎo)線，這時輸入電壓流過電感L1，續(xù)流二極管D1防止電容C1對地放電；由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關(guān)，隨著電感電流增加，電感里儲存能量不斷增加；放電過程中，三個并聯(lián)MOSFET管截止。N-MOSFET管截止處相當(dāng)于斷路，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢釋放能量；而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓，升壓完畢；當(dāng)輸出電壓變化時，通過電阻R14、R15、R16得到的反饋電壓也隨著發(fā)生變化，TL494輸出的脈沖寬度調(diào)制信號可以控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間。

3.2降壓電路設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用降壓式(BUCK)變換電路，整個電路由功率開關(guān)管Q、儲能電感L、二極管D及濾波電容C組成。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中整個電路充電放電狀態(tài)依然由TL494控制，仿真圖如圖3所示：在充電過程中，TL494產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號驅(qū)動Q5、Q6、Q7三個并聯(lián)的N-MOSFET管導(dǎo)通，MOSFET管導(dǎo)通處相當(dāng)于導(dǎo)線。這時，輸入電壓流過電感L2，續(xù)流二極管D2反偏截止，通過電感L2 的電流隨時間不斷增大，輸入電壓提供負(fù)載，同時對電容充電。在電感L2上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，不斷儲存能量，放電過程中，三個并聯(lián)N-MOSFET管截止。N-MOSFET管截止處相當(dāng)于斷路，此時，由電感L2中的電流將減小，為了阻止電流的減小，在其上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這時續(xù)流二極管D2 正偏導(dǎo)通，為電感電流提供通路；電感將釋放能量，一方面繼續(xù)給輸出端供電另一方面對電容C4充電，把一部分能量轉(zhuǎn)化為電容C4中的電場能。當(dāng)電感L2電流下降到某一較小的數(shù)值時，電容C4開始對負(fù)載放電，以維持輸出所需的電流。

4　實(shí)際測量分析

本次測量分別對電路板進(jìn)行升降壓測試，結(jié)果分析如下：

4.1升壓DC-DC模塊測試數(shù)據(jù)及分析

以鋰電池作為輸入源，設(shè)置輸出電壓為30V，使用電壓表五次測量鋰電池電壓和負(fù)載電壓。測量數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　　升壓測量數(shù)據(jù)Table 1 step up measurement data

測試結(jié)果分析：由五組數(shù)據(jù)及圖4可以得出，升壓電路效率穩(wěn)定，實(shí)際電壓與設(shè)置電壓基本符合，測量過程中鋰電池的電壓會有波動，但是輸出電壓能夠做到穩(wěn)壓，誤差在-2.3~+3.4%,證明此設(shè)計(jì)能夠較好完成升壓功能。

圖4　　升壓效率分布折線圖Fig.4 the boost efficiency distribution line chart

4.2降壓DC-DC模塊測試數(shù)據(jù)

以穩(wěn)壓源輸入電壓為30V，步進(jìn)電流為0.1A狀態(tài)下進(jìn)行測量，使用電流表五次測量鋰電池輸入電流保持在1A-2A之間，測量數(shù)據(jù)如表2所示：

表2　降壓測量數(shù)據(jù)Table 2 blood pressure measurement data

圖5　　降壓效率分布折線圖Fig. 5 the buck efficiency distribution line chart

測試結(jié)果分析：由五組數(shù)據(jù)及圖5可以得出，1.0A-2.0A之間時，降壓電路效率穩(wěn)定，實(shí)際電流與設(shè)置電流基本符合，測量過程中鋰電池的輸入電流會有波動，但是輸出電壓能夠做到穩(wěn)壓，誤差在-2.0~+3.0%,證明此設(shè)計(jì)能夠較好完成降壓功能。

5　結(jié)語

本設(shè)計(jì)整體上完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足輸出高效的前提下，還具有輸出恒流的作用，還具有元件少、簡單等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于通信設(shè)備、家用電器、車輛制造、視頻音響等電子電路中。遺憾的是沒有做出PCB板進(jìn)行實(shí)際測量，而在萬能板上完成了測試。目前仍存在一些問題，如散熱性較差、效率沒有達(dá)到最高等。本方案下一步計(jì)劃在電路散熱性能；效率的提高；恒流方面進(jìn)一步提高和優(yōu)化。

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