黃仲平，徐 航，沈 燁

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 四川 成都 610065)

基于TL494的雙向Buck-Boost BDC高效開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

黃仲平，徐 航，沈 燁

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 四川 成都 610065)

雙向DC-DC變換器；TL494；IR2111；MSP430單片機(jī)

1 目的、意義與可行性

在一個(gè)直流供電系統(tǒng)中，并不局限于單一的“充電”或者“放電”模式，往往需要能量的雙向流動(dòng)。如電動(dòng)汽車中的燃料電池，給汽車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供電能的同時(shí)從壓縮機(jī)處吸收能量，只有吸收的能量大于等于提供的能量汽車才能正常運(yùn)行[6-7]；太陽(yáng)能電池陣也是如此，航天器外圍的太陽(yáng)能板是一個(gè)雙向DC-DC變換器，即可以為航天器時(shí)刻提供工作電壓，也需要不斷吸收太陽(yáng)能[8]；不停電(UPS)系統(tǒng)中的放電單元和充電單元也可以理解為雙向boost-buck電源[9]。隨著科技的發(fā)展，雙向DC-DC供電系統(tǒng)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

針對(duì)現(xiàn)狀，本文主要介紹一種雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)，它是基于430單片機(jī)的半智能型、功率因數(shù)可調(diào)的高穩(wěn)定度和高精度的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。該開(kāi)關(guān)電源不僅可以滿足大多低壓系統(tǒng)電源供給，而且電路簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)壓性能好，開(kāi)關(guān)電源部分所用器件少，從而提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性，并且完成了雙向電源的任意切換，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 硬件電路整體框圖

該電源采用同步整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向功率變換。該同步整流電路由兩個(gè)N-MOSFET構(gòu)成，通過(guò)PWM控制器和功率放大芯片驅(qū)動(dòng)上下開(kāi)關(guān)管，其分別構(gòu)成具有Buck降壓和Boost升壓電路的雙向DC-DC變換電路。同步整流電路中用開(kāi)關(guān)管代替常規(guī)升降壓電路的續(xù)流二極管，功率MOSFET的通態(tài)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二極管導(dǎo)通時(shí)電阻，能大大降低損耗，可以有效提高DC-DC變換器的效率。此方案控制簡(jiǎn)單，可以通過(guò)切換MOSFET狀態(tài)快速切換電路的功率流向，操作易行，效率極高。同時(shí)電路的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。雙向開(kāi)關(guān)電源整體框圖如圖1所示。

圖1 雙向開(kāi)關(guān)電源整體框圖

圖1主要分為主電路和控制電路兩部分。主電路部分主要是開(kāi)關(guān)管的應(yīng)用，利用不同占空比PWM波來(lái)控制輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系?？刂齐娐凡糠窒鄬?duì)比較復(fù)雜：1)無(wú)論是Boost還是Buck電路均需要閉環(huán)反饋，保證輸出電壓的穩(wěn)定，由采樣電路、放大電路、比較電路結(jié)合TL494芯片共同完成；2)使用PWM波產(chǎn)生電路及功率放大電路，產(chǎn)生電路在比較了ARM-LM3S1138芯片、MSP430單片機(jī)以及TL494芯片后，選擇了簡(jiǎn)單可靠的TL494芯片，同時(shí)功率放大也選擇了外圍電路較為簡(jiǎn)單的IR2111。最后顯示和自動(dòng)切換控制芯片選擇了較為簡(jiǎn)單的MSP430單片機(jī)，用來(lái)完成電路智能控制、時(shí)時(shí)顯示以及過(guò)壓保護(hù)等功能。

2.1 脈沖寬度調(diào)制PWM波產(chǎn)生

常用產(chǎn)生PWM波的芯片[10]有TL494、SG3525、UC3842、TOPWitch及Ting-Switch等。依據(jù)外圍器件數(shù)、頻率范圍、性價(jià)比和功率等方面進(jìn)行綜合比較，最終選擇簡(jiǎn)單易用的TL494芯片。

TL494是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，片內(nèi)集成線性鋸齒波振蕩器和誤差放大器，外置振蕩元件包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式和全橋式開(kāi)關(guān)電源[11]。外圍接線如圖2所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IR2111是一種高壓、高速功率放大芯片，具有可靠的高低通道輸出的MOSFET和IGBT半橋驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)端，為避免輸出半橋的直通，提供了內(nèi)部死區(qū)時(shí)間。浮動(dòng)通道可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)配置在高側(cè)運(yùn)行高達(dá)600 V的N溝道功率MOSFET管或IGBT管[12]。

采用一片IR2111可以完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)使得元件的驅(qū)動(dòng)電路僅需一個(gè)輸入，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組MOSFET或IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有完善的保護(hù)功能。IR2111芯片僅需要一路PWM波就可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管和續(xù)流管，完成單項(xiàng)電源設(shè)計(jì)，優(yōu)于IR2110芯片。其原理圖如圖3所示。

該模塊中IN端接入TL494 PWM控制電路產(chǎn)生的PWM輸入信號(hào)，因此，在輸出端Ho和Lo分別可以輸出相反的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電路中上管和下管的驅(qū)動(dòng)。

2.3 參數(shù)計(jì)算

2.3.1 變換器電感的計(jì)算

選擇電感的主要依據(jù)就是變換器輸出電流大小。假如電源輸出的最大額定電流Imax，最小額定電流為Imin。

1)當(dāng)電源工作在連續(xù)工作模式(CCM)時(shí)，周期T、輸入電壓Uin、輸出電壓Uout與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間T0的關(guān)系為：

(1)

2)在電源輸出最大電流達(dá)到Imax時(shí)，電感不能進(jìn)入飽和且電流降低到最小時(shí)，不能進(jìn)入不連續(xù)模式(DCM)，需要滿足：

圖2 TL494電源芯片接線圖

圖3 PWM驅(qū)動(dòng)電路原理圖

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)，可以得出：

(3)

2.3.2 電容值的計(jì)算

首先由電源指標(biāo)要求得到電壓紋波和電感電流變化量；然后求出電容的等效電阻值；最后根據(jù)鋁電解電容的特性電容值和等效電阻值乘積是一個(gè)常數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)應(yīng)該選用的電容值[13]。

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)

反饋電路一般采用光電耦合器、霍爾器件或者運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。

光電耦合器采樣負(fù)載電流，通過(guò)放大反饋到輸出端。該方案具有較高的精度和較好的穩(wěn)定性，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件較多?；魻栐€性度好，且精度較高，但因其價(jià)格較高且其要使用具有相當(dāng)功率的正負(fù)電源供電，造成系統(tǒng)效率的下降而被放棄。使用OP07雙極性運(yùn)算放大器采樣負(fù)載電流，因OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。同時(shí)還具有高電源電壓范圍(±3～±22 V)以及較寬的輸入共模電壓范圍(最小值±13 V)，且高性價(jià)比等特點(diǎn)。使得OP07能夠滿足本系統(tǒng)對(duì)高端電流差模信號(hào)采樣線性放大的要求。因此本文電源采用OP07來(lái)完成單片機(jī)與TL494之間的構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.2 雙向Buck-Boost電路智能切換

雙向Buck-Boost BDC既可以升壓，又可以降壓，需要設(shè)計(jì)對(duì)電壓不同工作狀態(tài)進(jìn)行智能切換，通過(guò)控制PWM控制電路中的TL494芯片，可使其E1腳和C2腳分別輸出兩路反相的PWM控制信號(hào)，其中E1引腳輸出占空比恒定為D的PWM信號(hào)，則C2腳恒定輸出占空比為(1-D)的信號(hào)，如圖4所示。通過(guò)Header3開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換，可以選擇將其中任何一路信號(hào)送入IR2111半橋驅(qū)動(dòng)的輸入端; 設(shè)IR2111的2腳輸入PWM信號(hào)的占空比為D1,則通過(guò)半橋驅(qū)動(dòng)，Ho與Lo引腳分別輸出占空比分別為D1與(1-D1)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別對(duì)整流電路中的Q1與Q2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。如果受驅(qū)動(dòng)后的MOSFET其驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比為D，那么該管極為開(kāi)關(guān)管，對(duì)電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制；而另一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比為1-D，起續(xù)流作用。

圖4 控制部分電路圖

因此，可以通過(guò)控制MOSFET Q1與Q2PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來(lái)控制電路的升、降壓狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整流電路的降壓充電與升壓放電的功能。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

電源參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示，對(duì)Buck和Boost電路分別從負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。

表1 雙向電源參數(shù)測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)雙向Boost-Buck電源的要求，本文以TL494控制雙開(kāi)關(guān)管不同的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)主電路的升降壓變化，控制電路以MSP430單片機(jī)為控制器，結(jié)合電流、電壓采樣電路，控制電路輸出參數(shù)，可以對(duì)電源工作狀態(tài)進(jìn)行智能切換。該產(chǎn)品具有精度高、紋波小、效率高和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類小功率變換場(chǎng)合。

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Design of High Efficiency Switching Power Supply Based on TL494 for Bidirectional BDC by Buck-Boost

HUANG Zhongping，XU Hang, SHEN Ye

(School of Electrical and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610065)

bi-directional DC-DC converter; TL494; IR2111; MSP430 MCU

2017-00-00；修改日期:2017-00-00

四川大學(xué)2015年實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改造項(xiàng)目(87)

黃仲平(1962-)，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子技術(shù)應(yīng)用方面的研究。

徐航(1987-)，2601024236@qq.com

TN702

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.004