馬曉慧

(山西大學商務(wù)學院，山西 太原 030006)

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一種雙向DC-DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)*

馬曉慧

(山西大學商務(wù)學院，山西 太原 030006)

本設(shè)計采用芯片BQ24610控制DC-DC降壓及充電控制模塊，芯片TPS55340控制升壓模塊，升壓和降壓模塊共同構(gòu)成了雙向變換器。降壓及充電控制模塊構(gòu)成效率達到95.5%，本設(shè)計產(chǎn)品可以在22 V～30 V輸入電壓下為18650鋰電池組提供1 A～2 A充電電流。并且在輸入電壓波動時能穩(wěn)定輸出充電電流，其電流變化率僅為1.08%，通過采用BQ24610電源管理芯片，能耗控制效果十分明顯，轉(zhuǎn)換效率高達90%以上。

雙向DC/DC變換器；充電控制模塊；升壓模塊；降壓模塊

本文采用固定設(shè)定芯片設(shè)計并實現(xiàn)雙向DC-DC變換器[1-3]，能夠控制輸出電壓，實現(xiàn)電池的充放電功能。使用芯片BQ24610控制DC-DC降壓及充電控制模塊，芯片TPS55340控制升壓模塊。升壓和降壓模塊共同構(gòu)成了雙向變換器，其中降壓模塊給電池充電時是一個方向，電池通過升壓后給負載供電是另一個方向，構(gòu)成DC-DC雙向變換器。

1　理論分析

1.1DC-DC降壓及充電控制模塊的分析

1.1.1BQ24610芯片介紹

BQ24610是TI公司產(chǎn)品，是一種充電管理芯片，較傳統(tǒng)控制器，散熱少、效率高，可對5 V～28 V之間的鋰電池進行充電管理，具有以下特點：1) 可高適配器功率：在充電過程中可持續(xù)為系統(tǒng)供電。2) 可使設(shè)計更加靈活：集成型獨立解決方案可使設(shè)計者對產(chǎn)品更加靈活的設(shè)計，簡化整體解決方案，使其更加廣泛的應(yīng)用于便攜式設(shè)備。3) 利于延長電池壽命：充電電流和充電電壓的準確度非常接近，趨近百分之百，利于延長電池的使用壽命[4]。

1.1.2DC-DC降壓原理分析

該降壓電路采用電閘不停充放電，控制電感來控制電源平衡。采用先降壓，接通跳線后，電源輸入的電壓為28 V，流入R3電阻和電容C5中起一個緩沖作用，繼續(xù)進入以背靠背式連接的兩個MOS管中，通過對電流進行控制，當芯片確定電路可以正常工作MOS管才會被打開接通，繼續(xù)流入電阻R2中。通過用萬用表測量R2兩端的電流，因為R2的作用是用來檢測電源輸入端電流，電源充電管理，然后再給電池組18650充電。

應(yīng)用軟開關(guān)(soft switching)相關(guān)技術(shù)，可有效提升雙向DC-DC變換器的工作效率，將變換器的開關(guān)損耗降低，為變換器的高頻率化提供了可能性，縮小變換器的體積和重量，提高變換器的動態(tài)性能以及功能密度。推挽式電路廣泛應(yīng)用于功放電路以及開關(guān)電源中，符合低電壓及大電流的場合使用[5]。

1.1.3降壓模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

降壓模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)點是開關(guān)變壓器磁芯利用率高、結(jié)構(gòu)簡單，推挽電路工作時，每次只導(dǎo)通一只功率開關(guān)管，所以導(dǎo)通損耗較小。缺點是開關(guān)管的承受電壓較高，變壓器帶有中心抽頭；由于變壓器原邊漏感的存在，導(dǎo)致在功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間，漏源極會產(chǎn)生比較大的電壓尖峰，另外由于輸入電流的紋波較大，所以輸入濾波器的體積較大。

Q2將兩個MOS管背靠背連接，作用是避免寄生二極管反向漏電，默認情況下，當電源正常工作的情況下，它們才會打開。

1.2DC-DC升壓控制模塊的分析

TPS55340是一款單片非同步開關(guān)穩(wěn)壓器，此穩(wěn)壓器帶有集成的5 A，40 V電源開關(guān)。此器件可在幾種標準開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)中進行配置，這些拓撲結(jié)構(gòu)包括升壓、SEPIC和隔離式flyback。此器件具有一個寬輸入電壓范圍以支持由多節(jié)電池或者經(jīng)調(diào)節(jié)的3.3 V，5 V，12 V和24 V電源軌供電的應(yīng)用。安裝一個內(nèi)部振蕩器，同時使用電流模式PWM(脈寬調(diào)制)控制對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。PWM的開關(guān)頻率同步至外部時鐘信號進行設(shè)定，或由一個外部電阻器進行設(shè)定，可以在100 kHz～1.2 MHz之間對開關(guān)頻率進行編程。

將Boost斬波電路做為DC-DC升壓電路的核心，主控制器以及PWM信號發(fā)生器為單片機，依據(jù)負載反饋的信號對PWM信號進行調(diào)整，形成可靠的閉環(huán)控制，保持輸出電壓恒定。當沒有直流電源供電時，BQ24610的23腳輸出低電平，Q3和Q6打開，電池處于放電狀態(tài)，不會進行充電。

2　電路設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本系統(tǒng)存在充電和放電兩個過程，這兩個過程并不同時進行。當有直流穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電時，則先通過DC-DC降壓部分降壓后經(jīng)由充電控制部分給電池充電。如果沒有電源供電，則電池通過DC-DC升壓模塊穩(wěn)定的輸出電壓從而放電。

圖1系統(tǒng)總體框圖

2.2充放電流程設(shè)計

系統(tǒng)首先判斷是否有電源供電，如果沒有，則電池放電。如果有電源供電，則在DC-DC降壓及充電控制模塊先降壓然后給電池充電，若電池沒有充滿則紅燈亮，繼續(xù)進行降壓，充電的過程。若充滿電則藍燈亮，停止充電。

圖2　充放電流程圖

2.3系統(tǒng)電路設(shè)計

2.3.1升壓模塊電路設(shè)計

升壓模塊電路使用TPS55340的芯片來連接，AC220 V交流電壓從濾波整容電路中出來，通過降壓變壓器使其恒定輸出18V的交流電壓，通過電容C23、C24、C25、C26、C27、C28等幾組電容來實現(xiàn)濾波穩(wěn)定，使其輸出的電壓經(jīng)過本電路十分穩(wěn)定，基本不變。首先18VAC要經(jīng)過整流(二極管橋)電路和濾波電路(大電容低頻濾波)后變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過開關(guān)式穩(wěn)壓芯片TPS55340進行調(diào)理，就可以得到想要的30-36VDC。

圖3　DC-DC升壓模塊電路設(shè)計圖

2.3.2降壓模塊電路設(shè)計

BQ24610是高度集成鋰離子或離聚合體電池開關(guān)模式充電控制器，有固定頻率的同步開關(guān)PWM控制器[6，7]，高精度充電電流(±3%)和電壓調(diào)整(±0.5%)，充電預(yù)設(shè)置，充電終止。系統(tǒng)設(shè)計所用到的部分元器件列表見表2所示。

圖4　DC-DC降壓模塊電路設(shè)計圖

3　測試方案與測試結(jié)果

【測試1】用可調(diào)電壓源輸出電壓U2=28 V，本方案利用電位器達到充電電流在1 A～2 A之間可調(diào)。用萬用表電壓毫伏檔測得實時的充電電流。

表1　測試充電電流調(diào)節(jié)范圍的測試數(shù)據(jù)

【測試2】利用可調(diào)電壓源輸出22 V～28 V電壓U2，用萬用表分別測出22 V，24 V和30 V時充電電流I11，I1，I12，計算電流變化率SI1。

表2　測試充電電流變換率測試數(shù)據(jù)

【測試3】調(diào)節(jié)U2=28 V，用萬用表測量此時充電電流I1的值以及電池組電壓U1，測量此時輸入電流I2的值，多次測量計算變換器效率。

表3　測試變換器效率測試數(shù)據(jù)

【測試4】在A、B間連入調(diào)節(jié)滑線變阻器，使充電電流I1=2 A，用萬能電表測量U1兩端電壓，當電壓達到24時觀察充電板紅燈是否亮起，紅燈點亮說明充電停止。

表4　充電保護裝置測試數(shù)據(jù)

通過以上測試可以看出，在輸入電壓U2=28的條件下，能穩(wěn)定輸出1 A～2 A充電電流；當U2在22 V～28 V變化時、I1在0.1 A～0.2 A范圍內(nèi)變化，充電電流穩(wěn)定輸出；通過計算可得，電路的功率因數(shù)計算值和測量值相似，在誤差范圍內(nèi)；當電池臨近充滿時，系統(tǒng)自動調(diào)整為小電流進行涓流充電。充滿時，電流自動切斷，充電完成指示燈亮起，實現(xiàn)了充電保護功能。

4　總結(jié)

本設(shè)計可以在22 V～30 V輸入電壓下為18650鋰電池組提供1 A～2 A充電電流。并且在輸入電壓波動時能穩(wěn)定輸出充電電流，其電流變化率僅為1.08%，通過采用BQ24610電源管理芯片，能耗控制效果十分明顯，轉(zhuǎn)換效率高達90%以上。支持2.0 A充電電流輸出，將充電速度提升一倍，節(jié)省大量等待時間，擁有輸出過壓保護，輸出電壓超出上限時，主動關(guān)閉輸出。有輸入過流保護，防止輸入電流過高。內(nèi)部設(shè)有輸出過流保護，輸出電流超出上限時，主動關(guān)閉輸出。擁有絹流充電模式，當充電進入后半階段時，自動轉(zhuǎn)換為弱電流充電，保護電池，延長電池使用壽命。

[1]張方華.雙向DC-DC變換器的研究[D].南京：南京航空航天大學，2004.

[2]張方華，朱成花，嚴仰光.雙向DC-DC變換器的控制模型[J].中國電機工程學報，2005,25(11):46-49.

[3]張方華，嚴仰光.變壓器匝比不同的正反激組合式雙向DC-DC變換器[J].中國電機工程學報，2005,25(14):57-61.

[4]劉曉梅，劉丹丹，魏立峰，等.基于BQ24610的智能鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界,2013(22):121-122.

[5]Ma Gang,Qu Wenlong,Liu Yuanyuan,et al.A Novel Soft Switching Bi-directional DC/DC Conerter[C]//.Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems,2005(2):1075-1079.

[6]Wang T,ZhouX,Lee F.A Low Voltage High Efficien-cy and High Power Density DC/DC Converter[C]//.IEEE Power Elec Specialists Conf. St Louis,Mis-souri,USA,1997,240-245.

[7]范然然，林爭輝，馮暉.一種新型的DC-DC芯片設(shè)計[J].微電子學與計算機,2003,20(5):51-54.

Design and Implementation of a Bidirectional DC-DC Converter

Ma Xiaohui

(BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

BQ24610 chip is used to control the bucking and charging control module and chip TPS55340 to control boosting module in this design. Boosting and bucking module together constitute the bidirectional converter, that the efficiency reaches 95.5%. This product can provide 1A～2A charging current for 18650 lithium batteries at 22～30v input voltage. And the input voltage fluctuation can stably output the charging current; the current change rate is only 1.08%. By using BQ24610 power management chip, power control effect is very obvious, the conversion efficiency is as high as 90%.

bi-directional DC/DC converter; charging control module; boost module; buck module

2015-05-31

2014年山西省科技廳基礎(chǔ)研究項目(2014011018-1)；2015年學院科研項目(2015009)

馬曉慧(1982- )，女，山西隰縣人，講師，碩士，研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)、信息檢索、并行算法研究。

1674- 4578(2016)04- 0049- 03

TM46

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