基于STC12C5A60S2的双向DC-DC变换器的系统设计 - 全文

　　双向 DC － DC 变换器（ Bidirectional DC － DC Converter—BDC）是一个 DC － DC 变换器的双象限运行，是在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据应用需要改变电流方向，实现能量双向流动的 DC － DC 变换器。它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。图 1 为 BDC 的二端口示意图，双向 DC － DC 变换器置于 V1 和 V2 之间，控制其间的能量传输。从各种基本的变换拓扑来看，可将其看做两个单向 DC － DC 变换器反向并联连接，通过改变两个单元的工作状态调节能量的双向流动，因此双向 DC － DC 变换器在功能上相当于两个单向 DC － DC变换器。

　

　　双向DC_DC 变换器的原理

　　双向DC_DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能里双向传输的直流到直流变换器，如图1所示： 双向DC_DC变换器置于V1和V2 之间，控制其间的能里传输，I1和2分别是V1和V2的平均输入电流。根据实际应用的需要，可以通过双向DC_DC变换器的变换控制，使能里从V1传输到V2，称为正向工作模式（Forwardmode），此时I1为负，而I2为正; 或使能里从V2传输到V1，称为反向工作模式（Backwardmode），此时I1为正，而2 为负。

　　由于电力电子技术的不断发展，使得双向 DC － DC 变换器的应用日益广泛。尤其是静态开关技术的出现，使双向 DC － DC 变换器不断朝着高效化、小型化高性能化的方向发展。双向 DC －DC 变换器作为典型的“一机两用”设备，在需要能量双向流动的应用场合，可以大幅度降低系统的体积、重量及成本，具有高效率、动态性能好等优势，具有重要的研究价值。我们以实际参赛为经验，研究并设计了基于 STC12C5A60S2 单片机的双 DC － DC 变换电路。

　　系统方案论证

　　双向 DC － DC 模块的论证与选择

　　双向 DC － DC 变换有隔离和非隔离两种。非隔离型的电路比较简单，容易实现，且能满足低压、大电流场合应用，但是其电压转换比较低; 相反，隔离型的变换器可以实现较大大的电压转换比，且相较于非隔离性安全性高，可应用于不同功率场合，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等易造成效率的降低。本题没有要求输入输出隔离，且结合两者的优缺点，所以选择非隔离方式。具体有以下几种方案：

　　（ 1） 方案一： 双向 Cuk 型拓扑结构变换器

　　Cuk 型双向 DC － DC 变换器电路如图 2 所示，该电路需要两个电感将能量经过三次传递到负载，因此对电容传输能量的性能要求高，不适用于大功率场合应用，且效率比较低，电路较为复杂，实际电路应用很少。

　　（ 2） 方案二： 半桥型双向变换器

　　把非隔离的半桥型单向 DC － DC 变换的功率二极管变为双向开关后即构成非隔离的半桥型双向 DC － DC 变换器，其电路如图3 所示，这种双向 DC － DC 变流器结构简单，成本低，容易实现单端恒流，开关管的电压、电流应力小，适合于中小功率的应用场合。鉴于上面分析，选用方案二。

　　

　　电流恒定控制模块的论证与选择

　　（ 1） 方案一： 实时检测 + 控制器实现

　　通过电路和控制器对输出电流进行实时检测，得到实时电流值。如果实时电流值大于（ 或小于） 设定电流值，控制器控制 DC－ DC 使输出电压减小（ 或增大） ，直至实时电流值等于设定电流值，由此可将电流控制在设定电流值附近。此方案控制电路简单，但是对控制器的运算量和运算精确度提出了较高要求，而且存在控制延时，效果并不理想。

　　（ 2） 方案二： 采用 CMOS 场效应管 + 控制器实现

　　控制器 控 制 双 向 DC － DC 的 输 出 电 压，使 其 逐 步 达 到 由CMOS 场效应管构成的压控恒流源的临界值。电路原理图如图 4所示。此方案效率最高，但是若场效应管经常工作于临界值，会使输出电流动态波动很大。

　

　　3） 方案三： 采用 CMOS 场效应管 + 硬件电路实现

　　采用 CMOS 场效应管构成压控恒流源，硬件电路直接反馈，电路原理如图 5 所示。此方案使控制器不再参与电流控制，因此极大减少了控制器的运算量，提高了电路的可靠性。鉴于上面分析，选用方案三。

　　控制电路模块的论证与选择

　　（ 1） 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89S51 单片机。可利用其外围 ADC 以及 DAC 完成系统反馈功能。AT89S51 虽开发简单，初学者容易上手，但 FLASH 存储仅 4K 字节。

　　（ 2） 方案二： 采用 FPGA。FPGA 资源丰富，可实现灵活的编程控制。但是 FPGA 功耗较大，不适于开发低功耗电源。

　　（ 3） 方案三： 采 用 STC 公 司 的 STC12C5A60S2 单 片 机，是AT89S51 系列的增强版，处理速度增加 8 － 12 倍，其单片机内部就自带高达 60K FLASH ＲOM，因此在性价比、功耗、难易程度等方面很有优势。

　　鉴于上面分析，选用方案三。

　　理论分析与计算

　　充电电流 I1

　　充电电流 I1 由双向 DC － DC 的实时输出电流和最大输出电流决定。比赛 要 求 充 电 时，输出电流可调范围是 1 ～ 2A，根 据TPS5430 数据手册给出的计算公式：

　　

　　系统设计实现系统框图

　　如图 6 所示，充电时，系统在输入 24 ～ 36V 内变化，通过双向DC － DC 变换器的降压电路输出到 18650 型锂电池。放电时，电池通过双向 DC － DC 变换器的升压电路输出到负载。单片机STC12C5A60S2 的键盘输入设定值，使双向 DC － DC 变换器输出电压，通过驱动场效应管和电路反馈实现对电流的恒定与步进控制。同时，还可以实现设定和实时电流电压显示与过压保护功能。

　

　　主模块电路

　　（ 1） 双向 DC － DC 变换电路

　　如图 7 和图 8，双向 DC － DC 变换模块是利用 TPS5430 降压芯片和 UC3842 升压芯片构成。两者之间通过可控硅构成的静态开关完成充、放电工作模式的转换。

　

　　（ 2） AD 和 DA 电路

　　本设计需要对输入、输出电流进行采集，结合低功耗，高精度等特点，采用 TLC2543 芯片，它是一款 12 位串行输入，多路采集的模数转换器。

　　电流的大小由 DA 控制。电流控制精度不低于 5% ，因此需要采用比较高精度的 DA，故选用 12 位串行的 TLV5618 芯片。

　　AD 采样电路、DA 输出电路分别如图 9、图 10 所示。

　　

　　3） 过充保护模块

　　该模块采用软件控制保护。充电时，输出端接入分压电阻，经AD 进行采集，单片机判断控制。当双向 DC － DC 电路输出电压超过阈值 24 ± 0． 5V 时，对 TPS5430 的 5 脚使能端低电平，芯片停止工作，输出电流为 0，达到过充电保护目的。

　　参数分析与计算

　　根据输入、输出电压确定场效应管驱动信号最大占空比，得

　

　　软件设计

　　系统的控制程序部分由单片机 STC12C5A60S2 来完成，主要用来控制对电流的 设定和对电流误差的校准，以及显示功能。图11 所示为单片机控制流程图。

　　

　　系统测试与数据分析

　　测试电路

　　采用外部电源给系统供电分别测量输入电压 U2，输入电流I2，输出电压 U1，输出电流 I1。测试电路如图 12 所示。

　

　　测试过程

　　（ 1） 步进电流测试

　　测试方法： 调整直流电压源输出电压为 30V，通过单片机的键盘进行每次 0． 1A 的步进，测量充电电流在 1 ～ 2A 范围内的电流变化，并计算电流控制精度。

　　测试数据： 见表2。

　　测试结果： 根据表 2 所示数据，充电电流在 1 ～ 2A 范围内步进可调，电流控制精度不低于 5% ，满足基本要求。

　

　　（ 2） 电流变化率测试

　　测试方法： 通过单片机的键盘将充电电流稳定在 2A，调整直流电压源输出电压，使其电压从 24V 开始，调整到 36V，测量充电电流的变化，并计算充电电流变化率。

　　测试数据： 见表 3。

　　测试结果： 根据表 3 所示数据，当直流电压源输出电压从 24V调整到 36V 过程中，电流变化较小，电流变化率 = 0． 50% ≤1% ，满足基本要求。

　　（ 3） 效率测试

　　测试方法： 通过单片机的键盘将充电电流稳定在 2A，调整直流电压源输出电压为 30V，测量输入电流、充电电压并计算效率。

　　测试数据：

　　

　　测试结果： 根据表 4 所示数据，变换器的效率大于 90% ，满足基本要求。

　　（ 4） 电流测量测试

　　测试方法： 根据用万用表测量在 1 ～ 2A 范围内的充电电流的值以及单片机经过采集处理并通过 12860 显示的电流值，计算单片机测量电流精度。

　　测试数据： 见表 5。

　　测量结果： 根据表 5 所示数据，在 1 ～ 2A 内测量精度不低于2% ，满足基本要求。

　

　　5） 过充保护功能测试

　　测试方法： 通过单片机的键盘将充电电流稳定在 2A，并逐步增大直流电压源输出电压，使充电电压超过 24 ± 0． 5V，观察充电电流变化。

　　测试数据： 见表 6。

　　测量结果： 根据表 6 所示数据，充电电流在充电电压超过 24 ±0．5V 后，立即趋近于零，满足过冲保护功能要求。

　　（ 6） 发挥部分测试

　　①断开 S1、接通 S2，利用静态开关将装置设定为放电模式，保持 U2 = 30 ± 0． 5V，经计算，此时变换器的平均效率约为 95． 57% ，大于等于 95% ，基本满足要求。

　　②接通 S1、S2，断开 S3，调整直流稳压电源输出电压，使 Us 在32 ～ 38V 范围内变化时，经测量，双向 DC － DC 电路能够自动转换工作模式并保持 U2 在 29． 3 ～ 30． 4V，基本满足要求;

　　③经精密电子称测量，双向 DC － DC 变换器、测控电路与辅助电源三部分的总重量约为 437． 6g，不大于 500g，满足要求。

　　测试分析与总结

　　根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

　　（ 1） 该变换器输出充电电流在一定范围内步进可调，具有较高的电流控制精度;

　　（ 2） 该变换器能够保持较高的电流稳定度和电流测量准确度;

　　（ 3） 在充电和放电模式下，该变换器工作效率高，并且可以自动转换工作模式;

　　（ 4） 该变换器在具有过充电保护功能，安全性高，且重量轻，结构简化。

　　综上所述，本设计达到设计要求。