基于PWM技术的新型高效率直流斩波器

摘 要：本系统以Buck降压，Boost升压斩波电路为核心设计新型高效率直流斩波器。通过STM32检测显示输出电流，以及对电路的过充保护。采用TL494产生频率为150kHz的PWM波形，进行闭环反馈控制，从而实现稳压输出电流可调。实验结果表明：充电模式时，电源输入的直流电压在比较宽的范围内变化时，电源输出直流电压能够保持较高的稳定性且变化率不大于1%。电流可进行线性步进，控制精度为0.05%，效率达到91%以上。放电模式时，输出电压恒定，变换器效率可达96%。本电路能够自动转换工作模式，且重量在500g以内。

【关键词】Buck电路 Boost电路 TL494 STM32

分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展，其电源系统需用的直流斩波模块越来越多，对其性能要求越来越高。除去常规电性能指标以外，对其体积要求越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越高，对转换效率要求也越来越高，也即发热越来越少。这样其平均无故障工作时间才越来越长，可靠性越来越好。因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本更高性能的直流斩波器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的目标。本品将提供一种新型的更加高效的直流斩波器。

1 系统方案

1.1 双向直流斩波模块的比较与选择

方案一：双向同步整流电路

该方案从左向右是Buck降压充电电路，从右向左是Boost升压放电电路，结构简单，所用元器件少，输出纹波电压小。整个电路体积小、重量轻，转换效率高且输出稳定。对元器件参数要求严格，容易实现对电路的整体控制如图1。

方案二：Buck降压，Boost升压型电路

该方案将直流电压通过Buck型拓扑结构进行降压变换，然后采用Boost型拓扑结构进行升压变换。电路原理简单易懂，但所用元器件过多，且Buck型变换器驱动电路和控制电路的电源方案较麻烦，可靠性不高，如图2、图3。

方案三：集成Buck电路，集成Boost电路

该方案使用集成芯片可较容易实现电路的双向转换，精度相对较高，体积较小重量相对较轻，抗干扰能力强。但是不易实现对电流的步进控制，输出纹波电压大，易对用电器造成损坏且成本较高。

通过以上综合分析比较，方案一双向同步整流电路是实现双向直流斩波的理想选择。

1.2 PWM控制方案的论证和选择

一般PWM方波产生的方法有单片机产生方法和芯片产生方法，为此设想了以下几种控制方案：

方案一：采用TL494产生PWM

该方案电路稳定性强，TL494有两个线性放大器输入能同时实现电压和电流的反馈与调节，驱动电流大可以达500mA，死区电压受外界输加电压控制，以实现死区电压控制，且外围电路结构简单，易于调试。

方案二：采用SG3525产生PWM

采用SG3525，驱动电路简单且其驱动电流小，具有振荡器外部同步功能。但是频率过高时，发热严重，不利于系统的稳定性。只有一个反馈端，不易实现对电路的保护和控制。

方案三：采用单片机产生PWM

该方案采用单片机编程产生所需要的方波信号，易于调节和反馈，纹波小，抗干扰能力强。但是反应速度慢，反馈调节速度相对硬件较差，不易实现输出电压的稳定

比较三种方案，发现方案一，相对来说简单易行，可以实现电压电流的反馈调节以及死区电压的控制。综上所述，选用方案一。

2 电路与程序设计

2.1 电路的设计

2.1.1 系统总体框图，如图4。

2.1.2 测量控制电路原理图及相应流程图

用TL494产生PWM波控制场效应管的开启与关断，用STM32通过AD采集输出电压电流实现电路的测量与整个电路的通断与切换，如图5。

2.2 程序的设计

2.2.1 程序功能描述与设计思路

1）程序功能描述

根据题目要求软件部分主要实现显示功能。

显示部分：显示输出电流。

控制部分：控制电路的转换与通断，控制电流的步进。

2）程序设计思路

用WCS2705电流传感器测输出电流，通过STM32单片机AD采集转换，显示在液晶上，通过控制继电器的开关控制整个电路的转换与通断，并且可以通过DA输出实现电流的步进。

2.2.2 程序流程图

主程序流程图和计算公式流程图如图6，图7所示。

3 系统理论分析与计算

3.1 主回路主要器件选择及计算

3.1.1 主要器件的选择

本电路采用TL494芯片作方波发生器，以IR2104驱动两个MOS管实现同步整流，MOS管选用耐压值为85V的75NF75。电感以铁氧体磁芯EE-22用直径为1mm的绕线多股并绕绕成，采用耐压值留有一定余量的电容。

3.1.2 主要器件的参数计算

3.2 控制方法与参数计算

用TL494产生方波，经过IR2104强方波峰值升为10V，驱动MOS管75NF75，从而实现电路的升降压功能，其开关频率为150kHz。

3.3 提高效率的方法

（1）在开关电源次级输出端的肖特基上并一个小功率快速二极管来代替RC吸收。

（2）输出端二极管的开关速度要尽可能快。

（3）加强变压器制作工艺减小漏感。

（4）增大分压取样电阻阻值。

（5）提高开关频率。

4 测试条件、方案与测试结果

4.1 测试条件及测试方案

4.1.1 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：GOS-630FCMO模拟示波器，8903F数字电参数测量仪（500V 40A），安捷伦五位半数字万用表，mf47万用表，滑线变阻器。

4.1.2 充电模式的测试方案

接通S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。

（1）在U2=30V条件下对电池进行恒流充电，充电电流在I1 在1～2A内变化，且可步进0.05A，并检测实际步进的电流值I1，由公式

得其电流控制精度。

（2）设定I1=2A，调整直流稳压电源的输出电压，使U2=36V时，测其充电电流为I11；使U2=30V时，测其充电电流为I1；使U2=24V时，测其充电电流值为I12，通过公式

求得电流变化率SI1。

（3）设定I1=2A，当U2=30V时，用万用表分别测量其输入电压U1和输入电流I1，通过公式

（4）用万用表测量输出电流I1和显示电流I3比较，通过公式

求得其精度d。

（5）设定I1=2A， 在A、B之间串入滑动变阻器（10W 3A），调节滑动变阻器使U1增加至24V以上，观察继电器是否断开。

4.1.3 放电模式的测试方案

断开S1接通S2 ，将装置设定为放电模式。

设定U2=30V，分别用万用表测输入电压U1、输入电流I1和输出电流I2，通过公式

4.2 测试结果

4.2.1 电压变化范围测量

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电路保持U2=30V±0.5V。测量结果如表1示。

4.2.2 电流变化率计算

设定I1=2A，调整直流稳压电源的输出电压，使U2=36V时，测其充电电流为I11；使U2=30V时，测其充电电流为I1；使U2=24V时，测其充电电流值为I12，通过公式

结果如表2所示。

4.2.3 电流控制精度测量计算

在U2=30V条件下对电池进行恒流充电，充电电流在I1 在1～2A内变化，且可步进0.05A，并检测实际步进的电流值I1，由公式

4.2.4 测量电流精度

用万用表测量输出电流I1和显示电流I3比较，通过公式

4.2.5 充电时变换器效率计算

设定I1=2A，当U2=30V时，用万用表分别测量其输入电压U1和输入电流I1，通过公式

4.2.6 放电时变换器效率

设定U2=30V，分别用万用表测输入电压U1、输入电流I1和输出电流I2，通过公式

5 结语

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

（1）该电源输出的直流电压和电流能够保持较高的稳定性且步进可调；

（2）电源具有过流过压保护功能；

（3）具有自动切换模式功能；

（4） 效率达到90%以上；

综上所述，本设计为一种新型的基于PWM技术的高效率直流斩波器。

参考文献

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[5]Ron Lenk.实用开关电源设计[Z].北京：北京图灵文化发展有限公司，2006.

作者简介

李昌晋（1994-），男，山东省临沂市人。现在山东师范大学大学本科在读学生。研究方向为电源电路设计、视频技术分析、短距离视频传输网络研究、通信技术、数字信号处理等。

作者单位

山东师范大学 山东省济南市 250358