高效率雙向DC-DC電源模塊設(shè)計

費艷玲,孫士平,黎子娟,陸蔚,李杰 (長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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高效率雙向DC-DC電源模塊設(shè)計

費艷玲,孫士平,黎子娟,陸蔚,李杰 (長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

使用STC12C5A60S2高速單片機為控制器，控制由TPS54340和LM3478芯片組成的降壓和升壓模塊組，實現(xiàn)了一種高效率雙向DC-DC變換供電系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了UPS電源的功能，采用PID算法實現(xiàn)對電池的恒流充電，充電效率高達91%以上，采用恒壓模式對電池進行放電(對負(fù)載恒壓供電)，效率高達93%以上。系統(tǒng)同時設(shè)計了過充保護功能以及自動切換充放電功能，可實現(xiàn)對輸入電壓、輸出電壓和電流的自動監(jiān)測,可以直接掛接于無人值守的小型太陽能和風(fēng)能智能監(jiān)控、照明、信號燈控制等清潔能源應(yīng)用系統(tǒng)。

雙向DC-DC變換；UPS電源；過充保護；自動切換；清潔能源

隨著太陽能、風(fēng)能等清潔能源的不斷開發(fā)利用，給電子技術(shù)的發(fā)展也提出了新的挑戰(zhàn)。不僅要求既快又好地開發(fā)這些清潔能源，而且同時必須高效可靠地利用好它。街道小區(qū)路燈、無人值守的智能監(jiān)控站、公路測速警示監(jiān)控系統(tǒng)、交通信號燈和民用照明等都可以用太陽能和風(fēng)能等綠色能源替代。太陽能和風(fēng)能易受環(huán)境條件的影響，產(chǎn)生的電能存在著很大的起伏變化而導(dǎo)致其不穩(wěn)定性。而大眾電能應(yīng)用系統(tǒng)，要求其供電電壓具有一個相對穩(wěn)定的值，這就需要對這種不穩(wěn)定的太陽能和風(fēng)能系統(tǒng)進行穩(wěn)定化處理。目前最有效的處理方法是采取蓄電池對電能進行存儲，再利用蓄電池對外恒壓供電。因此，為了更好地延長蓄電池的使用壽命，筆者期望做到對電池進行恒流充電；蓄電池放電過程中不能隨著電量的消耗而發(fā)生供電電壓的波動，即放電過程必須恒壓對外供電；對蓄電池的恒流充電和恒壓放電應(yīng)盡可能實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換控制，電能的轉(zhuǎn)換利用率至少達到90%以上；對電池的充放電電壓、電流進行實時監(jiān)控，并進行實時保護；系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)換精度高、實現(xiàn)智能化、模塊化等功能。而開關(guān)電源以其高效節(jié)能帶來的巨大經(jīng)濟效益引起了社會各方面的重視并得到迅速推廣[1]，故選用開關(guān)電源。

1 DC-DC硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

為了實現(xiàn)上述供電控制系統(tǒng)的要求，硬件系統(tǒng)設(shè)計從功能要求、精度指標(biāo)、監(jiān)控等方面作了要求，系統(tǒng)需要滿足如下基本要求：實現(xiàn)充電電壓在一定范圍內(nèi)變化時，恒流充電電流的變化率越小越好(要求小于1%)；充電恒流電流可調(diào)，步進值越小越好，電流控制精度越高越好(高于 5%)；測量并顯示充電電流，測量精度越高越好(高于2%)；具有過充保護功能，當(dāng)充電電池電壓超過閾值30V時，停止充電；蓄電池放電工作時，保持輸出電壓值不變，且變換器效率越高越好(要求高于95%)；加載的充電電壓(太陽能或風(fēng)能電壓)變化時，雙向 DC-DC電路能夠自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持輸出電壓不變。

筆者設(shè)計出了如圖1所示的系統(tǒng)總體設(shè)計方案。在具體方案實施中,筆者以2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的A題為例進行驗證說明,其要求如下：設(shè)計并制作用于電池儲能裝置的雙向 DC-DC 變換器，實現(xiàn)電池的充放電功能，其功能可由按鍵設(shè)定，亦可自動轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，電池組由 5 節(jié)18650型、容量2000～3000mAh的鋰離子電池串聯(lián)組成,所用電阻阻值誤差的絕對值不大于 5%。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

圖2 電池儲能裝置結(jié)構(gòu)框圖

1.1.1 基本要求

接通S1、S3，斷開S2，將裝置設(shè)定為充電模式。U2=30V 條件下，實現(xiàn)對電池恒流充電。充電電流I1在1～2A 范圍內(nèi)步進可調(diào)，步進值不大于 0.1A，電流控制精度不低于 5%；設(shè)定I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使U2在 24～36V 范圍內(nèi)變化時，要求充電電流I1的變化率不大于 1%；設(shè)I1=2A，在U2=30V條件下，變換器的效率90%；測量并顯示充電電流I1，在I1=1～2A范圍內(nèi)測量精度不低于 2%；具有過充保護功能：設(shè)定I1=2A，當(dāng)U1超過閾值U1th=24±0.5V 時，停止充電。

1.1.2 放電部分

1)斷開S1、接通S2，將裝置設(shè)定為放電模式，保持U2=30±0.5V，此時變換器效率95%。

2)接通S1、S2，斷開S3，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使Us在 32～38V 范圍內(nèi)變化時，雙向 DC-DC 電路能夠自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持U2=30±0.5V。

1.2 降壓電路的設(shè)計

該降壓電路是把一個30V的輸入電壓降到18.5V左右，且該電源是一個恒流源，輸出電流需要始終保持在一個恒定的狀態(tài)，最大2A，且轉(zhuǎn)換效率要超過90%。根據(jù)要求選擇2種芯片，分別為TPS5450和TPS54340。TPS5450輸入電壓范圍為5.5～36V，TPS54340的輸入電壓范圍為4.5～42V，考慮到TPS54530的耐壓值更高，穩(wěn)定性更強，故筆者選擇TPS54530作為降壓芯片。降壓電路如圖3所示，其中,Vin為電源輸入端，電壓范圍24～36V，Vout為電壓輸出端，DA為控制端，通過調(diào)節(jié)DA端的電壓控制降壓模塊的電壓輸出[2]。

圖3 降壓電路

當(dāng)DA端懸空時,根據(jù)TPS54340的數(shù)據(jù)手冊可得:

(1)

根據(jù)電阻的實際參數(shù)，取Rfb1=10kΩ，Rfb2=270kΩ，代入式(1)得到Vout≈22.4V。電感L1為:

(2)

當(dāng)Vin=36V，Vout=20V，fSW=600kHz，KIND=0.3，代入式(2)計算可得L1≈240uH。

當(dāng)改變DA端的電壓時，降壓模塊的輸出電壓改變，可以通過改變輸出電壓，來改變電池的充電電流。由電路的疊加原理以及內(nèi)部特性可得：

(3)

1.3 升壓電路的設(shè)計

而升壓電路要求電池恒壓放電，經(jīng)過 DC-DC 變化輸出30V的電壓，要求效率達到 95%,有如下2種實現(xiàn)方式。

方式1：非同步升壓轉(zhuǎn)換器。TPS55340 是一款單片非同步開關(guān)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器帶有集成的 5A，40V 電源開關(guān)。 輸出電流達到5A，效率能達到98%，滿足要求。

方式2：采用同步升壓轉(zhuǎn)換器。LM3478是一種同步升壓控制器，其最大輸入電壓達到45V，轉(zhuǎn)換效率能達到98%，足夠滿足要求。

在實際測試比較中發(fā)現(xiàn)LM3478的轉(zhuǎn)換效率比TPS55340更高，故采用LM3478作為升壓芯片[3]。升壓電路如圖4所示，其中，Vin為電源輸入端，電壓范圍19～20V，Vout為電壓輸出端。

根據(jù)LM3478的數(shù)據(jù)手冊可知：

Rfb4=(1.266V·Rfb3)/(Vout-1.26V)

(4)

取Rfb4=22.6kΩ，Rfb3=1kΩ，代入式(4)可得Vout≈30V。

1.4 充放電自動轉(zhuǎn)換電路及電流檢測電路的設(shè)計

充放電自動轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，單片機讀取到A/D采集結(jié)果得到U2。當(dāng)電壓U2大于30V時，繼電器接通充電檔位，當(dāng)電壓U2的電壓小于30V時，繼電器接通放電檔位。電流檢測電路如圖6所示，通過IN端子將電路串接在所需檢測的電路中，采集INA271輸出值，即可得到電流值[4]。

圖4 升壓電路

圖5 充放電自動轉(zhuǎn)換電路

圖6 INA271電流采集電路

2 軟件設(shè)計

利用STC12C5A60S2系列單片機，實現(xiàn)了按鍵掃描、電流采集、電流控制、過充保護和電壓采集等功能，系統(tǒng)控制精確，閉環(huán)回路運行穩(wěn)定[5]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示，結(jié)合PID算法實現(xiàn)電池的恒流充電控制和對電流的閉環(huán)控制其程序如圖8所示，圖9為采用TLV2543芯片采集電壓，電壓采用冒泡法中值濾波并有過充保護的流程圖。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

圖8 PID算法閉環(huán)控制程序圖

圖9 TLV2543芯片采集電壓流程圖

3 試驗驗證

3.1 電流測試

使用萬用表測量電池的充電電流，此時U2=30V，通過按鍵步進調(diào)整充電電流，記錄萬用表讀數(shù)和設(shè)定值。其中U2為充電輸入電壓，I10設(shè)定電流值，I1為實際測量值。由表1可知，精度滿足要求。

表1 充電電壓不變步進控制電路的精確度表格

3.2 充電效率測試

在設(shè)定I1=2A，在U2=30V條件下 ，由表2可知，效率值達到要求。

3.3 放電測試

表2 充電效率測試表格

斷開S1、接通S2，將裝置設(shè)定為放電模式,使用萬用表測量U2，記錄萬用表讀數(shù)，如表3所示。由表3測試結(jié)果可知，放電時U2能保持在30±0.5V范圍內(nèi)。

3.4 雙向DC/DC電路自動轉(zhuǎn)換測試

接通S1、S2，斷開S3，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使Us在32～38V范圍內(nèi)變化，記錄對應(yīng)的U2值，測試結(jié)果如表4所示。

表3 放電電壓的電壓值測試表格

表4 自動轉(zhuǎn)換電路時保持Us在一定范圍內(nèi)U2的值變化

由表4結(jié)果可知，系統(tǒng)雙向 DC-DC 電路能夠自動轉(zhuǎn)換工作模式并保持U2=30±0.5V，因此能達到要求。

4 結(jié)語

通過測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，系統(tǒng)能對不穩(wěn)定的太陽能和風(fēng)能等系統(tǒng)進行穩(wěn)定化處理，使之既能夠恒流充電又能恒壓放電。充放電的效率都超過了90%，提高電能轉(zhuǎn)化的效率和能源的利用率，并結(jié)合軟件自動進行切換充放電，節(jié)省了人力勞動資源，加之該系統(tǒng)有自動顯示裝置和過充保護功能，完全滿足現(xiàn)代化的要求，也可以按照人為的改變步進從而改變充電的快慢，其控制精度高于5%。

[1]邱濤文.開關(guān)電源的發(fā)展及技術(shù)趨勢[J].電力技術(shù)，2008(6)：54～56.

[2]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(修訂版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[3]林國漢.一種新型高效率BOOST變換器的設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2008(3)：39～41.

[4]李瑤,李進.多功能DC-DC變換器系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2016(8)：119～120.

[5]侯智，牛曉園，趙斯博，等.基于MSP430的雙向DC-DC數(shù)控電源設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015(24)：121.

[編輯] 張濤

2016-07-18

中國石油科技創(chuàng)新基金項目(2014D-5006-0306);大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心資助項目(5011500838)。

孫士平(1968-)，男，副教授，現(xiàn)主要從事儀器儀表和控制理論與應(yīng)用方面的研究工作;E-mail:sunshiping@126.com。

TM46

A

1673-1409(2016)34-0036-06

[引著格式]費艷玲,孫士平,黎子娟,等.高效率雙向DC-DC電源模塊設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(34)：36～41.