基于51單片機(jī)的雙向 DC-DC 電源設(shè)計(jì)

王貴龍 唐杰 陳日恒

摘 要：為探究雙向DC-DC變換器的工作特性與設(shè)計(jì)流程，本文通過各種方案的論證和元件參數(shù)的選取，綜合考量經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性，制作了一套應(yīng)用于5節(jié)串聯(lián)18650型鋰電池組充放電應(yīng)用的非隔離型雙向DC-DC變換器。本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)發(fā)生47kHz的PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)過IR2104控制MOS管，從而控制整個(gè)雙向DC-DC變換電路。單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測(cè)電流實(shí)時(shí)反饋雙邊的電流和電壓數(shù)值，并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：雙向DC-DC變換;鋰電池充放電;STC單片機(jī);IR2104

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.145

0 引言

現(xiàn)今在廣泛應(yīng)用的非隔離型雙向 DC/DC 變換器所屬的拓?fù)浞N類繁多，優(yōu)缺點(diǎn)和適合使用的場(chǎng)合各有不同，但究其本質(zhì)，依然是由幾種基本拓?fù)浒l(fā)展而來，不外乎buck、boost、buck-boost和cuk的不同組合或它們的變形電路的不同組合構(gòu)成。根據(jù)直流源的情況分為電壓源雙向 DC/DC 變換器和電流源雙向 DC/DC 變換器兩個(gè)種類 [1-2]。

寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的張斌教授，針對(duì)鋰電池化成過程中采用電阻放電帶來的大量能量浪費(fèi)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向DC-DC變換器，可以實(shí)現(xiàn)化成放電能量的高效回收。該變換器以Buck/Boost雙向DC-DC變換器作為主電路拓?fù)?。主要由Buck驅(qū)動(dòng)電路、Boost驅(qū)動(dòng)電路、電壓/電流采樣電路等部分構(gòu)成。介紹了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，分析了電路的工作原理，并對(duì)方案設(shè)計(jì)給予了詳細(xì)說明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器可以實(shí)現(xiàn)電池充電、放電功能，控制精度高，具有良好的穩(wěn)定性。

1 雙向DC/DC變換器

雙向直流變流器可視為兩個(gè)單向DC/DC變換器相互反向并聯(lián)，其主要特點(diǎn)在于能量可在同一電路中實(shí)現(xiàn)高壓端與低壓端之間雙向流動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)出一種基于STC系列51單片機(jī)的雙向DC-DC變換器。本設(shè)計(jì)可以按鍵選擇系統(tǒng)工作模式，在充電模式下，實(shí)現(xiàn)降壓給鋰電池恒流充電，充電電流為1-2A內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)為0.1A，充電電壓到達(dá)24V時(shí)進(jìn)行過充保護(hù)，系統(tǒng)效率大于90%;在充電模式下，實(shí)現(xiàn)鋰電池供電的對(duì)外升壓供電，輸出電壓穩(wěn)定在30V，系統(tǒng)效率達(dá)到95%。同時(shí)液晶顯示屏上可以顯示出當(dāng)前的工作模式以及實(shí)時(shí)的電壓電流值。

由此可以看出，雙向直流變流器的優(yōu)勢(shì)在于其具有功率元件少、轉(zhuǎn)換方式直接，相對(duì)于兩單向變換器相并聯(lián)的形式，實(shí)現(xiàn)了減小體積、降低成本。這些優(yōu)勢(shì)使其在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能存儲(chǔ)端處廣泛應(yīng)用。

2 硬件系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)論述

本設(shè)計(jì)擬采用的拓?fù)淙鐖D1所示。

當(dāng)V1作為電源，而把V2作為輸出時(shí)，開關(guān)管Q1開通，Q2關(guān)斷期間，電源V1通過Q1向后級(jí)輸出電能;開關(guān)管Q2開通，Q1關(guān)斷期間，Q1阻斷電源V1向后級(jí)輸送電能的通道，Q2提供續(xù)流回路，在Q1、Q2之間產(chǎn)生方波，經(jīng)過后級(jí)的LC濾波器，輸出平滑的直流電壓，由于開關(guān)管Q2可以雙向?qū)?，因此該拓?fù)湎码姼兄荒芄ぷ髟陔姼须娏鬟B續(xù)狀態(tài)下，根據(jù)公式有輸出電壓：

其中D為開關(guān)管Q1的占空比。當(dāng)V2作為電源，而把V1作為輸出時(shí)，開關(guān)管Q2開通，Q1關(guān)斷期間，電源V2通過電感構(gòu)成回路，即此時(shí)電源向電感充電儲(chǔ)能;開關(guān)管Q1開通，Q2關(guān)斷期間，Q2阻斷電源給電感儲(chǔ)能的通道，Q1導(dǎo)通，此時(shí)電感和電源共同向后級(jí)輸送電能，經(jīng)過后級(jí)的電容濾波后，輸出平滑的直流電壓，同樣的，由于開關(guān)管Q1可以雙向?qū)ǎ虼嗽撏負(fù)湎码姼兄荒芄ぷ髟陔姼须娏鬟B續(xù)狀態(tài)下，根據(jù)公式有輸出電壓：

其中D為開關(guān)管Q2的占空比。

電感在不同的工作模式下，其功能完全不同。在降壓工作模式下，電感和電容共同構(gòu)成LC濾波器，濾出輸出電壓中的高次諧波，得到平滑的輸出直流電壓;在升壓工作模式下，電感作為儲(chǔ)能元件，在開關(guān)管Q2開通期間將電能儲(chǔ)存在電感中，在Q2關(guān)斷Q1開通期間輸送到后級(jí)。

2.2 Buck工作原理與分析

當(dāng)開關(guān)管Q1開通，Q2關(guān)斷期間，可以將開關(guān)管Q1當(dāng)作導(dǎo)線，而Q2當(dāng)作斷路。設(shè)此時(shí)的輸出電壓為VS，輸出電壓為VO，LC構(gòu)成低通濾波器。

當(dāng)開關(guān)管Q2開通，Q1關(guān)斷期間，可以將開關(guān)管Q2當(dāng)作導(dǎo)線，而Q1當(dāng)作斷路， 按照串連型開關(guān)電源的電容推導(dǎo)公式，此中C為電容容量、Io為一個(gè)模塊輸出電壓、△Up-p為輸出紋波電壓，T為PWM一個(gè)周期的時(shí)間。

2.3 Boost工作原理與分析

若把V2作為輸入，V1作為輸出，則拓?fù)錇閎oost。 因?yàn)镼1關(guān)斷，輸入輸出由Q1進(jìn)行隔斷開來，此時(shí)電源通過電感構(gòu)成回路，電源將電能存儲(chǔ)到電感當(dāng)中。當(dāng)Q2開通Q1關(guān)斷時(shí)，在電感電流連續(xù)時(shí)，最小負(fù)載電流IOB有：

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)框架

基于單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，由STC單片機(jī)、變壓器，整流濾波電路，BUCK主回路、降壓穩(wěn)壓電路、按鍵電路、液晶電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路等組成。總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。下面分別論證這些方面的詳細(xì)方案選擇。

3.2 硬件選擇

單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)STC12C5A60S2單片機(jī)，在指令代碼的方面可以完全兼容傳統(tǒng)8051，同時(shí)它的速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)要快8-12倍，體現(xiàn)了其高速度的一面。

開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)則選用IR2104是一種高性能的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片內(nèi)部是采用被動(dòng)式泵荷升壓原理。

電路供電電源的選擇開關(guān)降壓芯片LM2596穩(wěn)壓至12V，供驅(qū)動(dòng)芯片IR2104工作，后級(jí)使用LM7805穩(wěn)壓至5V，給單片機(jī)系統(tǒng)供電。

電流檢測(cè)電路要完成對(duì)輸出電流的閉環(huán)控制，務(wù)必對(duì)輸出電流經(jīng)過運(yùn)放放大后進(jìn)行采樣反饋，電流檢測(cè)采用康銅絲電阻采樣電流信號(hào)。

電壓檢測(cè)電路要完成對(duì)輸出電壓的閉環(huán)控制，務(wù)必對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣反饋。本設(shè)計(jì)采用電阻分壓法對(duì)電壓進(jìn)行采樣，分壓電阻發(fā)生的電壓，輸入到MCU的ADC端口。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖如下圖3所示。

4.2 AD采樣程序

在使用單片機(jī)內(nèi)部的ADC之前，需要對(duì)其相關(guān)的寄存器進(jìn)行配置，即需要對(duì)ADC模塊進(jìn)行初始化。ADC模塊的工作模式由特殊功能寄存器P1ASF設(shè)置，給該寄存器賦值，決定選中8路ADC通道的哪一路進(jìn)行使用，本設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)ADC通道，即P1.0和P1.1，實(shí)際將低三位配置為ADC通道，其中P1.2備用，所以寄存器配置為P1ASF=0x07。ADC模塊的特殊功能寄存器ADC_CONTR可以進(jìn)行位操作，用以控制相應(yīng)功能，在初始化時(shí)，將ADC模塊電源打開，即ADC_POWER=1。

5 系統(tǒng)測(cè)試

按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)記錄到相應(yīng)的表格中。

5.1 升降壓測(cè)試

斷開S1，接通S2，通過按鍵設(shè)定雙向DC/DC變換器工作在升壓模式，測(cè)試此時(shí)輸入輸出電壓，記入下面表1中。斷開S1、S2，接通S3，通過按鍵切換雙向DC/DC變換器工作在降壓模式，測(cè)試此時(shí)輸入輸出電壓，將數(shù)據(jù)記入下面表2中。

充電狀態(tài)下充電電壓高于24V進(jìn)行過充保護(hù)，實(shí)測(cè)電壓高于23.93時(shí)，電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，并只能通過復(fù)位控制電路得以恢復(fù)。

5.2 電路效率分析

通過以上表1與表2的數(shù)據(jù)分析，可以得到在升壓放電狀態(tài)下，帶30Ω的阻性負(fù)載，效率可以達(dá)到95%以上;在降壓充電模式下，效率可以達(dá)到93%以上。

6 總結(jié)

由上表的數(shù)據(jù)計(jì)算知，電流控制精度為1%; 時(shí)變換器效率為94.33%;電流顯示精度為1%;因此51單片機(jī)很好的控制了雙向DC-DC變換器的升降壓模式切換和設(shè)備效率。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018JJ2367）;湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016TP1023）;研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CX2018SY014）

作者簡(jiǎn)介：王貴龍（1995-），男，遼寧蓋州人，碩士在讀，研究方向：新能源發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)。