一种双向DC-DC变换器的设计与实现*

马晓慧

(山西大学商务学院，山西 太原 030006)



一种双向DC-DC变换器的设计与实现*

马晓慧

(山西大学商务学院，山西 太原 030006)

本设计采用芯片BQ24610控制DC-DC降压及充电控制模块，芯片TPS55340控制升压模块，升压和降压模块共同构成了双向变换器。降压及充电控制模块构成效率达到95.5%，本设计产品可以在22 V～30 V输入电压下为18650锂电池组提供1 A～2 A充电电流。并且在输入电压波动时能稳定输出充电电流，其电流变化率仅为1.08%，通过采用BQ24610电源管理芯片，能耗控制效果十分明显，转换效率高达90%以上。

双向DC/DC变换器；充电控制模块；升压模块；降压模块

本文采用固定设定芯片设计并实现双向DC-DC变换器[1-3]，能够控制输出电压，实现电池的充放电功能。使用芯片BQ24610控制DC-DC降压及充电控制模块，芯片TPS55340控制升压模块。升压和降压模块共同构成了双向变换器，其中降压模块给电池充电时是一个方向，电池通过升压后给负载供电是另一个方向，构成DC-DC双向变换器。

1　理论分析

1.1DC-DC降压及充电控制模块的分析

1.1.1BQ24610芯片介绍

BQ24610是TI公司产品，是一种充电管理芯片，较传统控制器，散热少、效率高，可对5 V～28 V之间的锂电池进行充电管理，具有以下特点：1) 可高适配器功率：在充电过程中可持续为系统供电。2) 可使设计更加灵活：集成型独立解决方案可使设计者对产品更加灵活的设计，简化整体解决方案，使其更加广泛的应用于便携式设备。3) 利于延长电池寿命：充电电流和充电电压的准确度非常接近，趋近百分之百，利于延长电池的使用寿命[4]。

1.1.2DC-DC降压原理分析

该降压电路采用电闸不停充放电，控制电感来控制电源平衡。采用先降压，接通跳线后，电源输入的电压为28 V，流入R3电阻和电容C5中起一个缓冲作用，继续进入以背靠背式连接的两个MOS管中，通过对电流进行控制，当芯片确定电路可以正常工作MOS管才会被打开接通，继续流入电阻R2中。通过用万用表测量R2两端的电流，因为R2的作用是用来检测电源输入端电流，电源充电管理，然后再给电池组18650充电。

应用软开关(soft switching)相关技术，可有效提升双向DC-DC变换器的工作效率，将变换器的开关损耗降低，为变换器的高频率化提供了可能性，缩小变换器的体积和重量，提高变换器的动态性能以及功能密度。推挽式电路广泛应用于功放电路以及开关电源中，符合低电压及大电流的场合使用[5]。

1.1.3降压模块设计结构的优缺点

降压模块设计结构优点是开关变压器磁芯利用率高、结构简单，推挽电路工作时，每次只导通一只功率开关管，所以导通损耗较小。缺点是开关管的承受电压较高，变压器带有中心抽头；由于变压器原边漏感的存在，导致在功率开关管关断瞬间，漏源极会产生比较大的电压尖峰，另外由于输入电流的纹波较大，所以输入滤波器的体积较大。

Q2将两个MOS管背靠背连接，作用是避免寄生二极管反向漏电，默认情况下，当电源正常工作的情况下，它们才会打开。

1.2DC-DC升压控制模块的分析

TPS55340是一款单片非同步开关稳压器，此稳压器带有集成的5 A，40 V电源开关。此器件可在几种标准开关稳压器拓扑结构中进行配置，这些拓扑结构包括升压、SEPIC和隔离式flyback。此器件具有一个宽输入电压范围以支持由多节电池或者经调节的3.3 V，5 V，12 V和24 V电源轨供电的应用。安装一个内部振荡器，同时使用电流模式PWM(脉宽调制)控制对输出电压进行调节。PWM的开关频率同步至外部时钟信号进行设定，或由一个外部电阻器进行设定，可以在100 kHz～1.2 MHz之间对开关频率进行编程。

将Boost斩波电路做为DC-DC升压电路的核心，主控制器以及PWM信号发生器为单片机，依据负载反馈的信号对PWM信号进行调整，形成可靠的闭环控制，保持输出电压恒定。当没有直流电源供电时，BQ24610的23脚输出低电平，Q3和Q6打开，电池处于放电状态，不会进行充电。

2　电路设计

2.1系统总体框架设计

本系统存在充电和放电两个过程，这两个过程并不同时进行。当有直流稳压电源给系统供电时，则先通过DC-DC降压部分降压后经由充电控制部分给电池充电。如果没有电源供电，则电池通过DC-DC升压模块稳定的输出电压从而放电。

图1系统总体框图

2.2充放电流程设计

系统首先判断是否有电源供电，如果没有，则电池放电。如果有电源供电，则在DC-DC降压及充电控制模块先降压然后给电池充电，若电池没有充满则红灯亮，继续进行降压，充电的过程。若充满电则蓝灯亮，停止充电。

图2　充放电流程图

2.3系统电路设计

2.3.1升压模块电路设计

升压模块电路使用TPS55340的芯片来连接，AC220 V交流电压从滤波整容电路中出来，通过降压变压器使其恒定输出18V的交流电压，通过电容C23、C24、C25、C26、C27、C28等几组电容来实现滤波稳定，使其输出的电压经过本电路十分稳定，基本不变。首先18VAC要经过整流(二极管桥)电路和滤波电路(大电容低频滤波)后变为直流电，再经过开关式稳压芯片TPS55340进行调理，就可以得到想要的30-36VDC。

图3　DC-DC升压模块电路设计图

2.3.2降压模块电路设计

BQ24610是高度集成锂离子或离聚合体电池开关模式充电控制器，有固定频率的同步开关PWM控制器[6，7]，高精度充电电流(±3%)和电压调整(±0.5%)，充电预设置，充电终止。系统设计所用到的部分元器件列表见表2所示。

图4　DC-DC降压模块电路设计图

3　测试方案与测试结果

【测试1】用可调电压源输出电压U2=28 V，本方案利用电位器达到充电电流在1 A～2 A之间可调。用万用表电压毫伏档测得实时的充电电流。

表1　测试充电电流调节范围的测试数据

【测试2】利用可调电压源输出22 V～28 V电压U2，用万用表分别测出22 V，24 V和30 V时充电电流I11，I1，I12，计算电流变化率SI1。

表2　测试充电电流变换率测试数据

【测试3】调节U2=28 V，用万用表测量此时充电电流I1的值以及电池组电压U1，测量此时输入电流I2的值，多次测量计算变换器效率。

表3　测试变换器效率测试数据

【测试4】在A、B间连入调节滑线变阻器，使充电电流I1=2 A，用万能电表测量U1两端电压，当电压达到24时观察充电板红灯是否亮起，红灯点亮说明充电停止。

表4　充电保护装置测试数据

通过以上测试可以看出，在输入电压U2=28的条件下，能稳定输出1 A～2 A充电电流；当U2在22 V～28 V变化时、I1在0.1 A～0.2 A范围内变化，充电电流稳定输出；通过计算可得，电路的功率因数计算值和测量值相似，在误差范围内；当电池临近充满时，系统自动调整为小电流进行涓流充电。充满时，电流自动切断，充电完成指示灯亮起，实现了充电保护功能。

4　总结

本设计可以在22 V～30 V输入电压下为18650锂电池组提供1 A～2 A充电电流。并且在输入电压波动时能稳定输出充电电流，其电流变化率仅为1.08%，通过采用BQ24610电源管理芯片，能耗控制效果十分明显，转换效率高达90%以上。支持2.0 A充电电流输出，将充电速度提升一倍，节省大量等待时间，拥有输出过压保护，输出电压超出上限时，主动关闭输出。有输入过流保护，防止输入电流过高。内部设有输出过流保护，输出电流超出上限时，主动关闭输出。拥有绢流充电模式，当充电进入后半阶段时，自动转换为弱电流充电，保护电池，延长电池使用寿命。

[1]张方华.双向DC-DC变换器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2004.

[2]张方华，朱成花，严仰光.双向DC-DC变换器的控制模型[J].中国电机工程学报，2005,25(11):46-49.

[3]张方华，严仰光.变压器匝比不同的正反激组合式双向DC-DC变换器[J].中国电机工程学报，2005,25(14):57-61.

[4]刘晓梅，刘丹丹，魏立峰，等.基于BQ24610的智能锂电池充电系统设计[J].电子世界,2013(22):121-122.

[5]Ma Gang,Qu Wenlong,Liu Yuanyuan,et al.A Novel Soft Switching Bi-directional DC/DC Conerter[C]//.Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems,2005(2):1075-1079.

[6]Wang T,ZhouX,Lee F.A Low Voltage High Efficien-cy and High Power Density DC/DC Converter[C]//.IEEE Power Elec Specialists Conf. St Louis,Mis-souri,USA,1997,240-245.

[7]范然然，林争辉，冯晖.一种新型的DC-DC芯片设计[J].微电子学与计算机,2003,20(5):51-54.

Design and Implementation of a Bidirectional DC-DC Converter

Ma Xiaohui

(BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

BQ24610 chip is used to control the bucking and charging control module and chip TPS55340 to control boosting module in this design. Boosting and bucking module together constitute the bidirectional converter, that the efficiency reaches 95.5%. This product can provide 1A～2A charging current for 18650 lithium batteries at 22～30v input voltage. And the input voltage fluctuation can stably output the charging current; the current change rate is only 1.08%. By using BQ24610 power management chip, power control effect is very obvious, the conversion efficiency is as high as 90%.

bi-directional DC/DC converter; charging control module; boost module; buck module

2015-05-31

2014年山西省科技厅基础研究项目(2014011018-1)；2015年学院科研项目(2015009)

马晓慧(1982- )，女，山西隰县人，讲师，硕士，研究方向：计算机应用技术、信息检索、并行算法研究。

1674- 4578(2016)04- 0049- 03

TM46

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