双向DCDC变换器.docx
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双向DCDC变换器
2015年全国大学生电子设计竞赛
开关电源模块并联供电系统（A题）
2015年8月6日星期四
摘要
双向DC/DC变换器（Bi-directionalDC/DCConverter,BDC）是可双象限运行的直流-直流变换器。
该变换器能够根据实际需要调节能量的流动方向，在功能上相当于两个单向直流-直流变换器。
本系统以STC1205A60S2单片机为控制核心，由TPS5450降压型开关稳压器构成DC/DC降压电路。
由LM3478升压型开关稳压芯片构成DCDC升压电路，并且通过AD芯片TLC2543和DA芯片TLV5618实现模数转换，对充电与放电模式下的电压、电流进行监测控制，实现充电与放电模式自动切换的PID数字控制。
同时系统具有输出过压保护功能
关键词：
双向DC/DC变换器充电模式放电模式数字PID控制
1、方案论证分析
整个系统可以划分为双向DC/DC模块、电流控制模块、电路监测模块、电源模块、显示模块、电路保护模块等模块。
图1系统框图
1.1双向DC/DC变换器方案选择
方案一:
采用BUCK+BOOST双向DCDC变换电路如图1.1所示，左边是输入时，这是一个降压电路。
右边是输入时，这是一个升压电路，只需控制Q1和Q2的导通和关断。
Q1和Q2的导通可以通过单片机来控制。
此电路虽然简单，但转换效率低，开关管耗能严重不适合大功率场合应用。
图1.1DCDC双向转换电路
方案二：
双向DCDC变换器实现能量双向传输，功能上相当于两个单向DCDC变换器。
所以我们采用精度性能优越的集成芯片构成两个DCDC变换器，这里我们选用降压型开关稳压芯片TPS5450，升压型开关稳压芯片LM3478。
DCDC降压模块：
利用降压型开关稳压器TPS5450加上外围电路构成DCDC降压电路对电池充电，转换速率高达500KHZ，转换效率高于90%，满足题目要求。
DCDC升压模块：
采用LM3478升压型开关稳压芯片实现DCDC升压功能，其具有2.97V到40V较宽的输入电压,
100kHz至1MHz的时钟频率可调；
±2.5％（过热）内部参考；
10μA关断电流（超温）；
综上所述我们选择方案二；
1.2电路监测保护方案
1.2.1直流电流检测
电路工作过程中我们需要对电路充电时电池组的电流与放电时负载电流进行检测并显示
方案一：
采用传统的电流检测电阻来实现电流检测，虽然其价格便宜使用方便，但是其阻值难以做到很小，不适用负载电阻很小的电路。
并且测量精度不够，无法满足设计要求。
方案二：
采用专用电流检测芯片INA271（电压输出、单向测量电流并联监测器），其具有-16V至+80V的宽泛共模输入范围，采用二级架构，能够简化需要额外电流信号滤波的电路设计工作，并且具有较高的测量精度。
综上所述，我们采用方案二。
1.2.2过压保护
在对电池充电时其两端电压不得大于24
0.5V，所以需要对充电过程进行监控，当电压大于24
0.5V时，需要控制其停止充电。
这里为了减轻作品质量与降低设计难度，我们没有考虑使用硬件电路来实现过压保护，与电压监测。
而是直接通过单片机与集成芯片实现目的。
因为降压开关稳压芯片TPS5450的5PIN——ENA是芯片的ON/OFF控制端，其电平在0.5V以下时，器件停止开关，将其浮动时，芯片即使能。
所以当监测点电压超过24
0.5V时，单片机的DA输出给芯片5PIN低电平使芯片停止工作，从而达到保护电路作用。
1.3充电电流控制方案
如图1.2所示，4PIN——VSENSE为芯片反馈输入端，外部用电阻分压器接到输出，芯片工作时4PIN电压为1.221V，通过单片机DAC产生一个电压经R3叠加在4PIN上。
根据叠加定理知道：
通过改变DAC输出电压的大小，控制R3上电流，达到控制R1压降即输出电压，从而改变充电电流。
图1.2DCDC降压控制电路
2、理论分析与计算
TPS5450外围电路参数计算:
TPS5450芯片工作时4PIN电压1.221V
为使Vout等于21V，这里我们R1取5.6K，R2取1K
输入电容选择：
TPS5450芯片输入端需要去耦电容，容量要防止输入电压电流的纹波不要超出，在此处取输入电容470uF，容量100V。
输出电容选择：
输出电容设计对输出电压纹波很重要，直流电压和纹波电流比率，及等效串联电阻使其三个考虑因素。
假设内部闭环跨越频率在2.59KHZ~24KHZ之间，且低于输出电容ESR的零点以下。
在这些条件下，闭环跨越频率相对于LC角频率为：
;
;其中
=18KHZ，
=47uF
电感计算：
这里电感取47uH。
回流二极管选择：
回流二极管反向恢复电压必须高于PH端电压，并且反向恢复速度与导通速度要非常快，这里我们选用SS345822肖特基二极管。
其低能耗高效率，适合在低电压高频率状态下工作。
3、系统设计
3.1双向DCDC电路设计
按照设计方案，我们采用两个单向DCDC变换器通过程控开关并联构成双向DCDC变换电路。
系统工作状态是由这两个DCDC变换器决定，通过控制程控开关来选择DCDC变换器而控制系统工作状态。
3.1.1DCDC降压电路
由图3.1.1知道该电路是典型的恒压输出电路。
4PIN为其反馈输入端，电压恒定在1.221V，若R1与R2比值固定则输出电压不变。
5PIN为芯片开关控制端，当其电压低于0.5V时芯片停止工作。
图3.1.1TPS5450DCDC降压电路
3.1.2DCDC升压电路
如图3.1.2所示，由LM3478及其外围电路构成DCDC升压电路。
芯片3PIN电压稳定为1.26V，由电阻分压接入输出电路。
控制电阻分压比就可控制输出电压大小。
图3.1.2LM3478DCDC升压电路
3.2电流检测电路
如图所示R1为50豪欧的康铜丝。
在符合芯片要求下，检测电流时只需将R1串联接入电路，INA271输出端为电压信号。
因为INA271增益为20，所以由公式：
20
R1
=
知：
INA271输出电压的
大小为电流
大小。
图3.2电流检测电路
3.3辅助电源设计
辅助电源利用三端稳压器件LM317、LM337实现3~37V输出可调的正负直流电压。
如图所示直流稳压电源输入
18V直流电压，Q1Q2构成电容倍增器，尽量减少纹波，通过调节滑动变阻器可以调节输出电压。
图3.3辅助电源电路
3.4程序设计
3.4.1程序流程图
4、系统测试与分析
实验仪器：
VC890C数字万用表，SS3323直流稳压电源，
4.1基本部分测试结果
表4.1设定U2=30V时充电电流
1控制精度
（A）
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.60
1.80
1.90
2.00
（A）
1.00
1.09
1.20
1.30
1.39
1.60
1.80
1.90
2.00
0%
0.9%
0%
0%
0.7%
0%
0%
0%
0%
由表知电流控制精度：
<5%
表4.2设定
=2A时电流变换率
U2（V）
24
30
36
变换率
充电
电流（A）
0.5%
2.00
2.00
2.01
电流
变化率：
=0.5%<1%
表4.3变换器效率：
设定
=2A，
=30V时
（V）
（A）
（V）
（A）
转换效率
29.60
1.55
21.10
2.08
95.6%
变换器转换效率：
=95.6%满足题目要求。
表4.4电流I1测量精度：
显示值（mA）
995
1095
1212
1290
1402
1605
1810
1915
2005
实测值（A）
1.00
1.09
1.20
1.30
1.39
1.60
1.80
1.90
2.00
测量精度
0.5%
0.46%
1%
0.76%
0.58%
0.31%
0.56%
0.83%
0.25%
由表知测量精度完全满足要求
5、总结
本次设计我们小组完满完成基本要求同时也成功完成发挥部分要求。
系统工作稳定，由单片机软件控制实现了充电与放电模式的自动切换。
设计过程中，需要对电路元件的耐压值与功率损耗进行充分考虑，线路设计也要合符过大电流要求，尽量减少功率损耗。
在最初设计验证阶段由于缺乏经验，电路设计与板子布线存在很多不合理之处，在提高电路效率方面明显不足。
通过参加本次全国大学生电子设计竞赛，深刻体会到了理论联系实践的重要性，体会到了调试电路的复杂性，对自己的综合能力有了较大提升。
参考文献
[1]周志敏周继海纪爱华——《现代开关电源控制电路设计及应用》：
人民邮电出版社●2005-5-1
[2]王志强郑俊杰——《开关电源设计与优化》：
电子工业出版社●2006-12-1
附录
附录一：
图一TPS5450内部等效方框图
TPS5450引脚功能
1PIN——BOOT，为高边MOSFET驱动用的升压电容接线端，外接0.01μF电容从BOOT到PH端。
2PIN——NC。
3PIN——NC。
4PIN——VSENSE。
反馈输入端，外部用电阻分压器接到输出。
5PIN——ENA，芯片的ON/OFF控制端，其电平在0.5V以下时，器件停止开关，将其浮动时，芯片即使能。
6PIN——GND，IC公共端。
7PIN——VIN，外部电压输入端。
紧靠IC外接旁路电容。
8PIN——PH，高边功率开关的源极，接到外部电感及回流二极管。
POWERPAD，封装底部金属板，外接至PGND。
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