费艳玲,孙士平,黎子娟,陆蔚,李杰 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)



高效率双向DC-DC电源模块设计

费艳玲,孙士平,黎子娟,陆蔚,李杰 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

使用STC12C5A60S2高速单片机为控制器，控制由TPS54340和LM3478芯片组成的降压和升压模块组，实现了一种高效率双向DC-DC变换供电系统。系统实现了UPS电源的功能，采用PID算法实现对电池的恒流充电，充电效率高达91%以上，采用恒压模式对电池进行放电(对负载恒压供电)，效率高达93%以上。系统同时设计了过充保护功能以及自动切换充放电功能，可实现对输入电压、输出电压和电流的自动监测,可以直接挂接于无人值守的小型太阳能和风能智能监控、照明、信号灯控制等清洁能源应用系统。

双向DC-DC变换；UPS电源；过充保护；自动切换；清洁能源

随着太阳能、风能等清洁能源的不断开发利用，给电子技术的发展也提出了新的挑战。不仅要求既快又好地开发这些清洁能源，而且同时必须高效可靠地利用好它。街道小区路灯、无人值守的智能监控站、公路测速警示监控系统、交通信号灯和民用照明等都可以用太阳能和风能等绿色能源替代。太阳能和风能易受环境条件的影响，产生的电能存在着很大的起伏变化而导致其不稳定性。而大众电能应用系统，要求其供电电压具有一个相对稳定的值，这就需要对这种不稳定的太阳能和风能系统进行稳定化处理。目前最有效的处理方法是采取蓄电池对电能进行存储，再利用蓄电池对外恒压供电。因此，为了更好地延长蓄电池的使用寿命，笔者期望做到对电池进行恒流充电；蓄电池放电过程中不能随着电量的消耗而发生供电电压的波动，即放电过程必须恒压对外供电；对蓄电池的恒流充电和恒压放电应尽可能实现高效转换控制，电能的转换利用率至少达到90%以上；对电池的充放电电压、电流进行实时监控，并进行实时保护；系统设计转换精度高、实现智能化、模块化等功能。而开关电源以其高效节能带来的巨大经济效益引起了社会各方面的重视并得到迅速推广[1]，故选用开关电源。

1 DC-DC硬件电路设计

1.1 系统总体方案设计

为了实现上述供电控制系统的要求，硬件系统设计从功能要求、精度指标、监控等方面作了要求，系统需要满足如下基本要求：实现充电电压在一定范围内变化时，恒流充电电流的变化率越小越好(要求小于1%)；充电恒流电流可调，步进值越小越好，电流控制精度越高越好(高于 5%)；测量并显示充电电流，测量精度越高越好(高于2%)；具有过充保护功能，当充电电池电压超过阈值30V时，停止充电；蓄电池放电工作时，保持输出电压值不变，且变换器效率越高越好(要求高于95%)；加载的充电电压(太阳能或风能电压)变化时，双向 DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持输出电压不变。

笔者设计出了如图1所示的系统总体设计方案。在具体方案实施中,笔者以2015年全国大学生电子设计竞赛的A题为例进行验证说明,其要求如下：设计并制作用于电池储能装置的双向 DC-DC 变换器，实现电池的充放电功能，其功能可由按键设定，亦可自动转换。系统结构如图2所示，电池组由 5 节18650型、容量2000～3000mAh的锂离子电池串联组成,所用电阻阻值误差的绝对值不大于 5%。

图1 系统总体设计方案

图2 电池储能装置结构框图

1.1.1 基本要求

接通S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。U2=30V 条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1在1～2A 范围内步进可调，步进值不大于 0.1A，电流控制精度不低于 5%；设定I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，使U2在 24～36V 范围内变化时，要求充电电流I1的变化率不大于 1%；设I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率90%；测量并显示充电电流I1，在I1=1～2A范围内测量精度不低于 2%；具有过充保护功能：设定I1=2A，当U1超过阈值U1th=24±0.5V 时，停止充电。

1.1.2 放电部分

1)断开S1、接通S2，将装置设定为放电模式，保持U2=30±0.5V，此时变换器效率95%。

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，双向 DC-DC 电路能够自动转换工作模式并保持U2=30±0.5V。

1.2 降压电路的设计

该降压电路是把一个30V的输入电压降到18.5V左右，且该电源是一个恒流源，输出电流需要始终保持在一个恒定的状态，最大2A，且转换效率要超过90%。根据要求选择2种芯片，分别为TPS5450和TPS54340。TPS5450输入电压范围为5.5～36V，TPS54340的输入电压范围为4.5～42V，考虑到TPS54530的耐压值更高，稳定性更强，故笔者选择TPS54530作为降压芯片。降压电路如图3所示，其中,Vin为电源输入端，电压范围24～36V，Vout为电压输出端，DA为控制端，通过调节DA端的电压控制降压模块的电压输出[2]。

图3 降压电路

当DA端悬空时,根据TPS54340的数据手册可得:

(1)

根据电阻的实际参数，取Rfb1=10kΩ，Rfb2=270kΩ，代入式(1)得到Vout≈22.4V。电感L1为:

(2)

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

当改变DA端的电压时，降压模块的输出电压改变，可以通过改变输出电压，来改变电池的充电电流。由电路的叠加原理以及内部特性可得：

(3)

1.3 升压电路的设计

而升压电路要求电池恒压放电，经过 DC-DC 变化输出30V的电压，要求效率达到 95%,有如下2种实现方式。

方式1：非同步升压转换器。TPS55340 是一款单片非同步开关稳压器，该稳压器带有集成的 5A，40V 电源开关。 输出电流达到5A，效率能达到98%，满足要求。

方式2：采用同步升压转换器。LM3478是一种同步升压控制器，其最大输入电压达到45V，转换效率能达到98%，足够满足要求。

在实际测试比较中发现LM3478的转换效率比TPS55340更高，故采用LM3478作为升压芯片[3]。升压电路如图4所示，其中，Vin为电源输入端，电压范围19～20V，Vout为电压输出端。

根据LM3478的数据手册可知：

Rfb4=(1.266V·Rfb3)/(Vout-1.26V)

(4)

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

1.4 充放电自动转换电路及电流检测电路的设计

充放电自动转换电路如图5所示，单片机读取到A/D采集结果得到U2。当电压U2大于30V时，继电器接通充电档位，当电压U2的电压小于30V时，继电器接通放电档位。电流检测电路如图6所示，通过IN端子将电路串接在所需检测的电路中，采集INA271输出值，即可得到电流值[4]。

图4 升压电路

图5 充放电自动转换电路

图6 INA271电流采集电路

2 软件设计

利用STC12C5A60S2系列单片机，实现了按键扫描、电流采集、电流控制、过充保护和电压采集等功能，系统控制精确，闭环回路运行稳定[5]。系统主程序流程图如图7所示，结合PID算法实现电池的恒流充电控制和对电流的闭环控制其程序如图8所示，图9为采用TLV2543芯片采集电压，电压采用冒泡法中值滤波并有过充保护的流程图。

图7 系统主程序流程图

图8 PID算法闭环控制程序图

图9 TLV2543芯片采集电压流程图

3 试验验证

3.1 电流测试

使用万用表测量电池的充电电流，此时U2=30V，通过按键步进调整充电电流，记录万用表读数和设定值。其中U2为充电输入电压，I10设定电流值，I1为实际测量值。由表1可知，精度满足要求。

表1 充电电压不变步进控制电路的精确度表格

3.2 充电效率测试

在设定I1=2A，在U2=30V条件下 ，由表2可知，效率值达到要求。

3.3 放电测试

表2 充电效率测试表格

断开S1、接通S2，将装置设定为放电模式,使用万用表测量U2，记录万用表读数，如表3所示。由表3测试结果可知，放电时U2能保持在30±0.5V范围内。

3.4 双向DC/DC电路自动转换测试

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，记录对应的U2值，测试结果如表4所示。

表3 放电电压的电压值测试表格

表4 自动转换电路时保持Us在一定范围内U2的值变化

由表4结果可知，系统双向 DC-DC 电路能够自动转换工作模式并保持U2=30±0.5V，因此能达到要求。

4 结语

通过测试结果数据分析可知，系统能对不稳定的太阳能和风能等系统进行稳定化处理，使之既能够恒流充电又能恒压放电。充放电的效率都超过了90%，提高电能转化的效率和能源的利用率，并结合软件自动进行切换充放电，节省了人力劳动资源，加之该系统有自动显示装置和过充保护功能，完全满足现代化的要求，也可以按照人为的改变步进从而改变充电的快慢，其控制精度高于5%。

[1]邱涛文.开关电源的发展及技术趋势[J].电力技术，2008(6)：54～56.

[2]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计(修订版)[M].北京：电子工业出版社,2005.

[3]林国汉.一种新型高效率BOOST变换器的设计[J].通信电源技术，2008(3)：39～41.

[4]李瑶,李进.多功能DC-DC变换器系统设计[J].工业控制计算机，2016(8)：119～120.

[5]侯智，牛晓园，赵斯博，等.基于MSP430的双向DC-DC数控电源设计[J].电子技术与软件工程，2015(24)：121.

[编辑] 张涛

2016-07-18

中国石油科技创新基金项目(2014D-5006-0306);大学生创新创业中心资助项目(5011500838)。

孙士平(1968-)，男，副教授，现主要从事仪器仪表和控制理论与应用方面的研究工作;E-mail:sunshiping@126.com。

TM46

A

1673-1409(2016)34-0036-06

[引著格式]费艳玲,孙士平,黎子娟,等.高效率双向DC-DC电源模块设计[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(34)：36～41.