陰歡歡++高遠(yuǎn)++馮代國++熊姍霞

摘要：與傳統(tǒng)的DC/DC的開關(guān)電源相比，該系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430G2553作為控制顯示器， 結(jié)合Buck/Boost雙向DC-DC變換器構(gòu)成恒流充電/恒壓放電的高效轉(zhuǎn)換電路。Buck/Boost電路實(shí)現(xiàn)雙向DC-DC變換，單片機(jī)控制PWM對(duì)電流/電壓采樣放大并實(shí)時(shí)控制，通過按鍵操作，從而實(shí)現(xiàn)充電時(shí)輸入電流在1～2A范圍內(nèi)可按步進(jìn)0.05A調(diào)整，且具有過充保護(hù)功能；放電時(shí)輸出電壓穩(wěn)定在30V±0.5V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器可以達(dá)到充電90%以上，放電95%以上的轉(zhuǎn)換效率；控制精度高，具有良好的穩(wěn)定性；測量結(jié)果可顯示，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：Buck/Boost電路；PWM；采樣放大；轉(zhuǎn)換效率

中圖分類號(hào)：TP303.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0267-03

電源在電子設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用，例如在移動(dòng)電源、實(shí)驗(yàn)儀器、停電備用電源等領(lǐng)域它可以提供持續(xù)、穩(wěn)定的能量供設(shè)備[1]使用。隨著消費(fèi)者對(duì)電源性能要求的提高，開關(guān)電源因其可靠性高、頻率高、噪聲低等特性成為了主要發(fā)展方向[2]。開關(guān)電源通過控制高頻開關(guān)的通斷來改變輸出電壓的大小，可以用于升壓電路和降壓電路[3]。移動(dòng)電源作為一種儲(chǔ)能裝置，方便快捷，在電子設(shè)備缺電情況下可作為應(yīng)急設(shè)備進(jìn)行供電。

本文設(shè)計(jì)的電池儲(chǔ)能裝置也可作為移動(dòng)電源使用，采用buck/boost雙向DC/DC變換電路，5節(jié)鋰電池作為負(fù)載，通過單片機(jī)控制PWM決定是恒流充電模式還是恒壓放電模式；A/D、D/A將采集的電流/電壓進(jìn)行處理，通過按鍵對(duì)輸入電流按0.05A步進(jìn)進(jìn)行設(shè)置，具有過充保護(hù)功能；系統(tǒng)有自置的輔助電源，可以為芯片提供工作電壓。測量結(jié)果可顯示，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有較高的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)用性較強(qiáng)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖1 電池儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由雙DC-DC變換主回路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、測量電路、保護(hù)電路組成，如圖1所示。主回路輸入的直流電壓經(jīng)過Boost DC-DC電路輸出電壓可調(diào)24～36V直流電；控制電路由單片機(jī)系統(tǒng)組成，單片機(jī)通過A/D對(duì)輸出的電壓、電流進(jìn)行采樣測量，并通過單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)對(duì)占空比進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使輸出電流穩(wěn)定[4]。通過UCC27211驅(qū)動(dòng)DC-DC主電路開關(guān)管的通斷，保護(hù)電路檢測輸出電流的大小，實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)[5]，一旦出現(xiàn)故障，立即封鎖驅(qū)動(dòng)電路的輸出，關(guān)斷開關(guān)管，并切斷DC-DC主電路以達(dá)到保護(hù)目的。

1.1雙向DC-DC主回路

主回路采用電壓-電流型雙向全橋DC/DC變換器，該拓?fù)浼饶軌驅(qū)崿F(xiàn)升壓也能實(shí)現(xiàn)降壓，這樣方案簡單，且成本較低。設(shè)計(jì)如圖2所示，UCC27211作為驅(qū)動(dòng)芯片，結(jié)合外圍的開關(guān)管、二極管及電感等構(gòu)成Buck/Boost升壓、降壓結(jié)構(gòu)。

1.2 電壓/電流采樣電路

用單片機(jī)MSP430G2553產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)取樣電路的反饋對(duì)PWM信號(hào)做出調(diào)整以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種控制方法靈活性高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)節(jié)省了系統(tǒng)的開發(fā)成本，可以針對(duì)本系統(tǒng)具體優(yōu)化?？点~絲電阻溫度系數(shù)小，阻值穩(wěn)定，受外部干擾小，故采用康銅絲采樣負(fù)載電流[6][7]。如圖3所示，用A/D轉(zhuǎn)換將采樣到的電流輸送到INA128儀表放大器中，將采樣到的電壓進(jìn)行放大，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。用液晶屏顯示此時(shí)的電壓。由V/Rs=I，即測得電流值。

1.3電源供電模塊

交流電經(jīng)整流二極管變?yōu)橹绷麟姾?，再采用三端可調(diào)集成大功率穩(wěn)壓器并聯(lián)的模式來提供穩(wěn)定的電壓和較大的輸出電流。這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出的電壓經(jīng)濾波后紋波較小，穩(wěn)定性較高，但效率較低，對(duì)變壓器的容量要求較高。如圖4所示，穩(wěn)壓電源采用三端穩(wěn)壓器7805、7905與MC34036構(gòu)成。由于78系列穩(wěn)壓器最大輸出電流為1.5A，而系統(tǒng)輸出最大電流為2000mA，為此，需外加功率管擴(kuò)流。

2 軟件設(shè)計(jì)

鋰電池化成過程分為鋰電池充電和放電兩個(gè)部分，鋰電池充電，即Buck模式下，包括兩個(gè)階段：

（1）恒流限壓充電，檢測電流電壓，當(dāng)電流電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，就進(jìn)入恒壓限流充電；

（2）恒壓限流充電后，檢測電池電流，當(dāng)電池電流降低到規(guī)定值后，自動(dòng)停機(jī)。鋰電池放電，即Boost模式下，采用恒流放電，當(dāng)達(dá)到放電終止電壓時(shí)，自動(dòng)停機(jī)。根據(jù)上述過程，具體的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3 理論分析與計(jì)算

3.1 主回路主要器件選擇與參數(shù)計(jì)算

首先選擇電路開關(guān)頻率fs。因?yàn)殚_關(guān)損耗幾乎與開關(guān)頻率的平方成正比，頻率過高會(huì)使損耗增加；但如果頻率太低，會(huì)使濾波電感、電容體積過大，而且電路容易出現(xiàn)音頻噪聲。綜合考慮以后，選擇fs為20KHz。

（1）電池的荷電狀態(tài)：鋰電池使用一段時(shí)間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。其取值范圍為0～1，當(dāng)SOC=0時(shí)表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1時(shí)表示電池完全充滿。控制蓄電池運(yùn)行時(shí)必須考慮其荷電狀態(tài)。

（2）電壓Uin的計(jì)算：U2的變化范圍為24～36V，通過計(jì)算可得Uin變化范圍為30.54～26.73V。

[Uin=2×U2×0.9][]

（3）占空比的計(jì)算：輸出電壓Uo的變化范圍為30～36V，在Boost電路中可計(jì)算出D的變化范圍為0.109～0.469。

[UoUin=11-D]

（4）電感電流連續(xù)時(shí)，電感L的計(jì)算。臨界負(fù)載電流：

[Iob=Uo×D×（1-D）22×L×fB]

當(dāng)D=1/3時(shí)，Iob有最大值：[Iobm=2×Uo27×L×fB]。電流連續(xù)，則最小負(fù)載電流[Iomin≥Iobm]，那么可以計(jì)算，取L=2mH。

[L≥2×Uo27×fs×Iobm=2×3627×15×0.2=0.89mH]

（5）由輸出紋波計(jì)算濾波電容C ，取C為220uF。

[ΔUo=D×Uofs×R×C]

（6）開關(guān)管的選擇。由于電路最大輸出電壓U2為36V，因此開關(guān)管最大關(guān)斷電壓為36V。經(jīng)計(jì)算，選擇IRF3205作為開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻為8mΩ。

3.2 驅(qū)動(dòng)/采樣電路器件選擇與參數(shù)計(jì)算

（1）PWM驅(qū)動(dòng)電路器件的選擇

MOS管驅(qū)動(dòng)芯片UCC27211靜態(tài)功耗小，上升時(shí)間tr=170ns，下降時(shí)間tf=90ns，可實(shí)現(xiàn)MOS管的高速開通和關(guān)斷。

（2）采樣電路器件的選擇

采樣電阻的選擇十分重要，要求噪聲小，溫度特性好，所以最好選擇低溫度系數(shù)的高精度采樣電阻，例如，康銅絲制成的電阻，另外，采樣電阻阻值取大一點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定度有好處，但會(huì)使效率下降，折中考慮取R=10mΩ。

（3）A/D、D/A芯片的選擇

由于充電電流I1在1～2A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)時(shí)，要求電流控制精度不低于5%，計(jì)算可得： [I1≥1.05I10]

[eic=I1-I10I10×100%≥5%]

因此A/D采樣精度較高，若D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)越高，D/A轉(zhuǎn)換時(shí)誤差就越小，故選擇16位芯片ADS1118，當(dāng)測量并顯示電流I1，且可以實(shí)現(xiàn)輸入電流在1～2A范圍內(nèi)精度不低于2%。

3.3 提高效率的方法

系統(tǒng)主要由雙向DC-DC變換器、控制電路、測量電路和輔助電源構(gòu)成。影響系統(tǒng)效率的因素主要有：開關(guān)損耗、電感儲(chǔ)能損耗、整流二極管損耗和輔助電源損耗。部分功耗計(jì)算如下：

（1）MOSFET損耗：

[PD=POD+PDS=ILOAD×RDS_ON+（CRSS×UIN×fSW×ILOAD）IGATE]

（2）儲(chǔ)能電感損耗： [PIND=PCO+PFe=Irms×Re+ΔB×m]

因此提高效率的方法有：合理選擇電路結(jié)構(gòu)；適當(dāng)降低開關(guān)頻率，并設(shè)計(jì)緩沖網(wǎng)絡(luò)降低開關(guān)管關(guān)斷損耗；加大主回路電流容量；選擇導(dǎo)通壓降小的二極管，并采用多個(gè)并聯(lián)的辦法來降低二極管導(dǎo)通損耗；降低控制部分的消耗、提高輔助電源的效率；合理分配各模塊的效率損失，降低線性調(diào)整管壓降等。

4 測試結(jié)果

（1）電流控制精度

在U2=30V，改變?cè)O(shè)定電流值，記錄電流測試值如表1所示：

表1 電流檢測數(shù)據(jù)

[設(shè)定值（A）＼&1＼&1.2＼&1.4＼&1.6＼&1.8＼&1.9＼&2.0＼&測量值（A）＼&1.04＼&1.25＼&1.44＼&1.65＼&1.86＼&1.96＼&2.08＼&誤差（%）＼&4%＼&4%＼&3%＼&3%＼&3.5%＼&3.5%＼&4%＼&]

（2）充電電流變化率

測試方法：在I1=2A時(shí)，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓在24～36V之內(nèi)變化，記錄電流值如表2所示：

表2 電壓測試數(shù)據(jù)

[電壓值（V）＼&26＼&28＼&30＼&32＼&34＼&36＼&電流值（A）＼&0.90＼&0.91＼&0.917＼&0.92＼&0.92＼&0.928＼&]

由[SI1=I11-I12I10×100%]得效率為8%。

（3）效率

充電模式時(shí)：在I1=2A，U2=30V時(shí)，通過測量U1、I2后計(jì)算得到，如表3所示：

通過對(duì)輸入/輸出電壓、電流的測試，整個(gè)系統(tǒng)的效率為98%，略低于理論計(jì)算結(jié)果。原因是DC-DC電路中損耗計(jì)算復(fù)雜，而且采用簡化公式計(jì)算，引起計(jì)算偏差，系統(tǒng)功能較多，控制系統(tǒng)復(fù)雜，消耗一定的功率。因此，可以通過降低控制電路、調(diào)整管的能量來提高整機(jī)效率。

（4）過充保護(hù)功能測試

測試方法：在電池組的輸出端串入滑線變阻器，使U1增加。當(dāng)充電完成時(shí)，開關(guān)斷開，自動(dòng)放電。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用Buck從電、Boost放電電路，實(shí)現(xiàn)了雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)。在U2=30V時(shí)，充電電流I1在1～2A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)步進(jìn)值為0.05A，電流控制精度達(dá)4%；在I1=2A，U2在24～36V范圍內(nèi)變化時(shí)，充電電流I1的變化率為1% ；當(dāng)I1=2A，U2=30V時(shí)，變換器的效率達(dá)到95%；充電電流I1在1～2A內(nèi)測量精度為2%，且具有過充保護(hù)功能，達(dá)到了題目的基本要求，基本滿足發(fā)揮部分要求。

本電路結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、性能優(yōu)良，保護(hù)電路完善，使用安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于遵謹(jǐn).基于單片機(jī)的開關(guān)電源測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2008， 16（3）：306-309..

[2] 王貴鋒，李峰.基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（10）.

[3] 張興杵.開關(guān)電源功率變換器拓?fù)渑c設(shè)計(jì)[M].中國電力出版社，2010.

[4] 段新東.PWM控制電流模式的DC-DC變換器設(shè)計(jì)[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[5] 李瑞.高穩(wěn)定數(shù)字化幵關(guān)電源研究[J].中國科技成果，2011，12（8）.

[6] 寇偉.低紋波高效率DC/DG開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2015（04）.

[7] 施玉樣.高效率DC/DC變換器研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2011.