基于STC12C5A60S2的双向DC-DC变换器的系统设计

嵌入式设计应用

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描述

  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。

 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。

  变换器

  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。

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  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:

  变换器

  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。

 变换器

  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。

 变换器

  ( 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。

  变换器

  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

 变换器

  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。

  变换器

  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。

 变换器

  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。

 变换器

  ( 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:

  变换器

  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。

 变换器

  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。

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