双向DC-DC变换器的设计

安徽师范大学皖江学院　方　芳



双向DC-DC变换器的设计

安徽师范大学皖江学院方芳

【摘要】本设计主要由升压模块、降压模块、单片机测控模块等部分组成。升压模块包括Boost升压电路，降压模块包括Buck降压电路。单片机测控模块包括AD/DA转换部分，测量及控制电流和电压输出，采用51单片机为控制核心的双向DC-DC变换器设计，实现对锂电池组的充电放电功能，通过脉冲宽度调制控制MOS开关管，改变占空比进而调节输出，并且通过单片机显示，实现电流输出范围在1A~2A步进不大于0.1A，或者输出电压30±0.5V时，DC-DC变换效率可达到95%以上。

【关键词】锂电池；TL494；BOOST；BUCK

1　引言

双向DC-DC变换器技术可应用于锂电池应用中关键的充电放电技术。此设计要求采用双向DC-DC变换器进行能量流动的双向控制，实现充电放电一体化，优化锂电池的控制结构的同时提升了充放电的运行效率和性能,大大降低锂电池在充放电的过程中能源损耗过于严重的问题。本设计利用双向DC-DC变换电路的结构，辅助单片机测控模块，实现对于DC-DC模块的测量显示和输出电路的电流步进控制。锂电池的充电方式要求，实现对电池的恒流充电，充电电流在1~2A的范围内步进可调；锂电池的放电方式要求，实现30±0.5V的稳压输出，转换效率≥95%。

2　设计任务

系统主要由升压模块、降压模块、单片机测控模块等部分组成。DC-DC变换系统图如图1所示。升压模块包括Boost升压电路，降压模块包括Buck降压电路。单片机测控模块包括AD/DA转换部分，测量并控制电流和电压输出。通过控制部分以脉冲宽度调制。

图1　DC-DC变换器系统图Fig.1 DC-DC converter system diagram

的方式对DC-DC变换器进行控制，并且能够数显数据，利用A/D以及D/A转换,通过TL494控制MOS管的导通，通过BOOST升压电路和BUCK降压电路实现恒流和恒压输出，从而实现对锂电池组的恒流充电和恒压放电。

3　原理分析

3.1升压电路设计原理

本设计采用升压式(Boost)直流变换电路整个电路由功率开关管Q、储能电感L、二极管D及滤波电容C组成。

图2　　升压仿真图Fig. 2 boosting principle

图3　降压仿真图Fig. 3 schematic diagram of the buck

在实际设计中整个电路充电放电状态由TL494控制，仿真图如图2所示：在充电过程中，TL494产生的脉宽调制信号驱动Q1、Q2、Q3三个并联的N-MOSFET管导通，N-MOSFET管导通处相当于导线，这时输入电压流过电感L1，续流二极管D1防止电容C1对地放电；由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关，随着电感电流增加，电感里储存能量不断增加；放电过程中，三个并联MOSFET管截止。N-MOSFET管截止处相当于断路，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢释放能量；而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压，升压完毕；当输出电压变化时，通过电阻R14、R15、R16得到的反馈电压也随着发生变化，TL494输出的脉冲宽度调制信号可以控制开关管的导通时间。

3.2降压电路设计原理

本设计采用降压式(BUCK)变换电路，整个电路由功率开关管Q、储能电感L、二极管D及滤波电容C组成。

在实际设计中整个电路充电放电状态依然由TL494控制，仿真图如图3所示：在充电过程中，TL494产生的脉宽调制信号驱动Q5、Q6、Q7三个并联的N-MOSFET管导通，MOSFET管导通处相当于导线。这时，输入电压流过电感L2，续流二极管D2反偏截止，通过电感L2 的电流随时间不断增大，输入电压提供负载，同时对电容充电。在电感L2上将产生感应电动势，不断储存能量，放电过程中，三个并联N-MOSFET管截止。N-MOSFET管截止处相当于断路，此时，由电感L2中的电流将减小，为了阻止电流的减小，在其上将产生感应电动势，这时续流二极管D2 正偏导通，为电感电流提供通路；电感将释放能量，一方面继续给输出端供电另一方面对电容C4充电，把一部分能量转化为电容C4中的电场能。当电感L2电流下降到某一较小的数值时，电容C4开始对负载放电，以维持输出所需的电流。

4　实际测量分析

本次测量分别对电路板进行升降压测试，结果分析如下：

4.1升压DC-DC模块测试数据及分析

以锂电池作为输入源，设置输出电压为30V，使用电压表五次测量锂电池电压和负载电压。测量数据如表1所示：

表1　　升压测量数据Table 1 step up measurement data

测试结果分析：由五组数据及图4可以得出，升压电路效率稳定，实际电压与设置电压基本符合，测量过程中锂电池的电压会有波动，但是输出电压能够做到稳压，误差在-2.3~+3.4%,证明此设计能够较好完成升压功能。

图4　　升压效率分布折线图Fig.4 the boost efficiency distribution line chart

4.2降压DC-DC模块测试数据

以稳压源输入电压为30V，步进电流为0.1A状态下进行测量，使用电流表五次测量锂电池输入电流保持在1A-2A之间，测量数据如表2所示：

表2　降压测量数据Table 2 blood pressure measurement data

图5　　降压效率分布折线图Fig. 5 the buck efficiency distribution line chart

测试结果分析：由五组数据及图5可以得出，1.0A-2.0A之间时，降压电路效率稳定，实际电流与设置电流基本符合，测量过程中锂电池的输入电流会有波动，但是输出电压能够做到稳压，误差在-2.0~+3.0%,证明此设计能够较好完成降压功能。

5　结语

本设计整体上完成了设计目标，在满足输出高效的前提下，还具有输出恒流的作用，还具有元件少、简单等优点，可应用于通信设备、家用电器、车辆制造、视频音响等电子电路中。遗憾的是没有做出PCB板进行实际测量，而在万能板上完成了测试。目前仍存在一些问题，如散热性较差、效率没有达到最高等。本方案下一步计划在电路散热性能；效率的提高；恒流方面进一步提高和优化。

参考文献

[1]姜潮,闻长远,王雨曦,高翔.一种基于TL494Boost型DC-DC电源设计.

[2]吴东升.基于TL494芯片的高效DC_DC变换器的研究与设计[J].

[3]王新兵.电动汽车双向DC/DC变换器的研究与设计[D].2013,4.

[4]阎石.数字电路技术基础[M].高等教育出版社,1983.4第一版.