程控升降压DC/DC变换器设计

王玉 游志宇

摘  要： 蓄电池、超级电容等储能电池在供电过程中，其端电压会随着放电的进行逐渐下降，导致用电设备系统效率降低或超出设备供电电压允许范围。为避免储能电池直接供电存在的不足，利用NQ60升降压变换模块设计了一个程控升降压DC/DC变换器，该程控DC/DC变换器可实时检测输入和输出侧电压、电流参数， 并通过CAN总线设置其输出电压及最大输出电流限值，将储能电池输出电压变换到设备允许的额定电压范围内，实现设备的稳定供电。通过对DC/DC变换器功率电路、控制单元的详细分析与设计，实现了该DC/DC变换器。实验测试结果表明，该DC/DC变换器输出值可程控设置，输出效率高。

关键词： 程控; 升降压; DC/DC变换器; 储能电池; 浪涌保护; 实验测试

中图分类号： TN624?34; TM46                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）04?0029?05

Design of program?controlled buck?boost DC/DC converter

WANG Yu， YOU Zhiyu

（State Ethnic Affairs Commission Key Laboratory of Electronic Information Engineering， Southwest Minzu University， Chengdu 610041， China）

Abstract： During the power supply process of storage battery， ultracapacitor and other energy storage batteries， the terminal voltage can gradually decline with the discharge， which resulting reduce in efficiency of the electrical equipment system or exceeding the allowable range of equipment power supply voltage. A program?controlled buck?boost DC/DC converter is designed with the NQ60 buck?boost converter module to avoid the shortage of direct power supply of the energy storage battery. The program?controlled DC/DC converter can detection voltage and current parameters on the input and output sides of it in real time， set its output voltage and maximum output current limit by means of the CAN bus， and convert the output voltage of the energy storage battery into the rated voltage range of the equipment to realize the stable power supply of the equipment. The program?controlled DC/DC converter is achieved by means of the detailed analysis and design of the DC/DC converter power circuit and control unit. The experimental tests show that the output value of the DC/DC converter can be programmed， and has high output efficiency.

Keywords： program?controlled; buck?boost; DC/DC converter; energy storage battery; surge protection; experimental test

0  引  言

随着能源消耗日益增大、化石能源资源日益枯竭、环境污染日趋严重，开发和利用清洁、环保、可再生新能源成为能源发展的总体方向[1?4]。由于可再生资源存在随机性和波动性，导致可再生新能源输出存在波动性[5?6]，不能满足一般用电设备持续稳定供电的要求。为解决可再生能源的随机性和波动性，一般与蓄电池、超级电容等储能电池联合使用，组成多能源系统。储能电池虽解决了可再生新能源的随机性与波动性，但储能电池随着放电的进行，其端电压会逐渐降低，导致用电设备系统效率降低或超出设备供电电压允许范围[7]。为解决储能电池供电时端电压不稳定的问题，可在储能电池后连接一个DC/DC变换器[8?10]，使其输出电压稳定在用电设备额定电压范围内，以满足用电设备对供电电压的要求。

本文采用SynQor公司的NQ60非隔离Buck?Boost模块，设计一个基于CAN总线的程控升降压DC/DC变换器，对储能电池输出电压进行变换，以满足不同用电设备对供电电压的要求[11]。采用C8051F单片机设计控制单元，通过CAN通信接口对DC/DC变换器进行程控，实现输出设置。通过对DC/DC变换器功率变换电路、控制单元的详细设计，最终实现了该DC/DC变换器。经实验测试表明，所设计的变换器输出值可程控设置，变换效率高，控制性能优越，具有较强的应用价值。

1  系统方案设计

1.1  设计目标与思路

储能电池在充满电时其端电压高于额定电压，随着放电的进行，其端电压不断下降，将导致无法满足用电设备对供电电压的要求或使用电设备效率降低。为实现储能电池与用电设备的匹配，本文设计一个基于CAN总线的程控单向升降压DC/DC变换器，输入电压范围为10～60 V，输出电压范围为0～60 V可调，最大输入或输出电流为80 A，输出电压和最大输出电流限值可实时在线设置。

根据设计目标，为快速实现DC/DC变换器，采用性能参数符合要求的DC/DC变换模块进行功率电路设计，并用微处理器设计其控制单元。NQ60非隔离Buck?Boost模块输入电压范围为9～60 V，输出电压范围为0～60 V可调，最大输入或输出电流为40 A。输入/输出电压参数符合设计要求，但其最大电流不满足设计要求。由于NQ60具备均流控制端，可以并联使用，故可采用2个NQ60并联，使其输入或输出电流达80 A。因此本文根据设计需要采用2个NQ60并联的方式来实现DC/DC变换器功率变换电路。

为了实现NQ60输出电压、电流限值在线程控，需设计控制单元，实时通过CAN总线接收设置参数，设置NQ60的输出电压、电流限值端口设置电压，以实现DC/DC变换器实时在线调整输出电压、电流限值。鉴于此，既具备模拟输出通道，又具备CAN通信协议控制器的微控制器中，C8051F040微控制器便是其中之一，本文采用该微控制器进行控制单元设计，以实现DC/DC变换器的控制及状态采集。

1.2  方案设计

NQ60具备电压设置Vset、电流设置Iset、使能控制ON/OFF、均流控制Ishare、同步控制Syncin、电压传感参考正Vsense+、电压传感参考负Vsense?、输入Vin+、输入Vin-、输出Vout+及输出Vout-等端口，要控制NQ60的工作，需要对NQ60有关控制端口进行控制，从而实现对输出的控制。本文采用2个NQ60模块并联，实现80 A的输入或输出电流，并联框图如图1所示。

为实现对功率变换电路的控制，利用C8051F040微控制器设计了DC/DC变换器的控制单元，可检测DC/DC变换器输入、输出等运行状态参数，控制变换器按照期望的输出电压、电流参数运行。控制单元功能框图如图2所示。

电压设置Vset、电流设置Iset用于设置模块期望的输出电压值及输出电流限值，采用模拟电压进行控制，其控制电压与输出值的对应关系为：

[VVset=2.366-2.316×VsetVmaxVIset=0.095 3+2.085×IsetImax] （1）

式中：Vset為DC/DC变换器期望的输出电压值;Vmax为DC/DC变换器最大输出电压值，默认为60 V;Iset为DC/DC变换器期望的输出电流限值;Imax为DC/DC变换器最大输出电流值，默认为40 A;[VVset]为期望输出电压对应的控制电压;[VIset]为期望输出电流限值对应的控制电压。由式（1）可知，[VVset]的控制电压范围为0.05～2.366 V，[VIset]的控制电压范围为0.095 3～2.180 3 V。

微控制器C8051F040是增强型51单片机[10]，内部集成了12位多通道ADC、2个12位DAC、电压基准及CAN控制器等功能单元件。集成ADC可采集DC/DC变换器输入/输出电压、电流值;集成DAC可输出Vset，Iset控制电压，控制NQ60 模块输出电压及输出电流限值;集成CAN控制器可用于实现CAN通信，接收外部控制参数指令，设置DC/DC变换器输出参数值，输出DC/DC变换器状态参数，为外部控制提供参考数据;I/O端口可用于控制NQ60模块的ON/OFF及浪涌保护电路的投切;供电单元取自DC/DC变换器的输入端，经过变换后给控制单元供电。

2  系统硬件设计

2.1  功率变换电路设计

根据设计要求及图1所示功率结构框图，设计的DC/DC变换器功率电路原理图见图3。DC/DC变换器输入、输出带有大容量电解电容，在上电瞬间会存在较大的充电电流，为防止瞬间电流过大对电容造成冲击，功率电路利用R1及LS1构成浪涌保护电路。在上电时继电器LS1处于断开状态，电流通过R1对输入、输出电容充电，充电电流通过电阻R1进行限流。当控制单元检测到输入电压大于某一阈值时，则输出控制信号SPctr，闭合继电器LS1，使电阻R1短路，切除浪涌保护电阻。

功率变换电路设计了输入/输出电压、输入/输出电流检测电路，以实现DC/DC变换器输入、输出参数检测。电阻R8～R10，R11～R13分别构成输入、输出侧分压电路，将输入电压、输出电压变换成C8051F040微控制器ADC可接收的电压值[AVin]，[AVout]，再采用电压跟随电路对[AVin]，[AVout]进行处理后与控制单元的ADC连接;输入输出电流分别由U3，U4霍尔传感器ACS758PFF进行采样，将电流值转变成对应的电压值[IVin]，[IVout]，再与控制单元的ADC连接，在控制程序中转换成对应的输入输出电流值;控制单元输出的控制信号[Vset]，[Iset]也经电压跟随电路后与功率电路的[AVset]，[AIset]连接，对NQ60输出控制。

2.2  控制单元电路设计

控制单元主要实现对功率变换电路的控制、输入/输出参数采集，包括主控器电路、模拟信号采样电路、变换器输出设置驱动电路、供电单元电路、开关控制驱动电路、CAN通信接口电路等几部分。主控器电路即为C8051F的最小系统，包括时钟电路、复位电路、编程接口等，按照芯片应用手册设计即可;模拟信号采样电路主要对输入/输出电压、输入/输出电流进行采样，由于在功率变换电路中已经对需要采集的模拟信号进行了调理，故可直接与ADC通道连接;控制单元输出的设置信号[VVset]，[VIset]电压范围为0～2.4 V，微控制器集成2个DAC通道，采用自带的2.4 V电压基准，其输出电压范围为0～2.4 V，完全满足[VVset]，[VIset]控制电压的要求，故可直接DAC输出，经电压跟随处理后与NQ60模块的Vset，Iset相连接即可。

1） 供电单元电路设计。DC/DC变换器工作时，需先启动DC/DC控制单元，由控制单元设置功率转换模块NQ60的工作参数后才能启动工作。工作时DC/DC变换器输入端接有电源，可用于DC/DC控制单元供电。供电单元利用金升阳的宽电压降压模块URBYMD20W将DC/DC变换器输入电压变换成12 V，一方面给变换器散热风扇供电，另一方面再经低压变换器变换成5 V，给霍尔传感器供电，5 V再经AS1117?3.3 V变换成3.3 V，对微控制器及相关电路供电。

2） 开关控制驱动电路设计。控制单元输出开关控制信号控制浪涌保护继电器及NQ60模块的ON/OFF，为提高控制单元抗干扰及驱动能力，输出开关信号采用光耦隔离输出。LS1继电器为12 V继电器，采用G3VM光耦隔离继电器进行驱动。 ON/OFF为TTL电平，采用PC817光耦驱动。设计的电路原理图如图4所示。

3） CAN通信接口电路设计。微控制器C8051F040集成了CAN控制器，但需外接收发器才能实现CAN通信，其电路原理图如图5所示[12]。采用SN65HVD230收发器，该收发器通信速率快，抗干扰能力强，可靠性高。

3  系统软件设计

程控升降压DC/DC变换器通过CAN总线接收控制参数及命令，控制变换器对储能电池端电压进行变换，输出控制参数期望的电压值，并实时上传DC/DC变换器运行状态参数，设计的控制程序流程图如图6所示。

DC/DC变换器上电后，控制单元自启动，初始化控制器各硬件功能单元，进入待机状态。随后采集DC/DC输入端电压参数，进行浪涌保护控制。在上电结束后先查询CAN总线传来的控制参数及命令，根据控制命令执行相应操作，同时采集DC/DC变换器的输入/输出状态参数，并实时通过CAN总线输出状态参数，并设置DC/DC状态。

4  DC/DC变换器测试

根据设计目标，对DC/DC变换器功率变换电路、控制单元硬件进行了详细设计，最后实现了程控升降压DC/DC变换器。实现的程控升降压DC/DC变换器样机如图7所示。

为便于对程控升降压DC/DC变换器样机进行测试，利用计算机、USB CAN转换器、直流电源、电子负载，构建了测试平台。利用计算机与USB CAN转换器，根据程控DC/DC变换器CAN通信协议编写上位机控制程序，模拟远程控制端。对升降压DC/DC变换器的启动、停止、输出电压设置、最大电流限制设置等功能进行测试，测试响应曲线如图8a）所示。测试时蓄电池端电压约为33.5 V，电子负载采用恒流模式抽取功率，抽取电流为41.5 A。当发送启动、停止控制指令时，变换器立即启动或停止，响应速度快;当发送输出调整指令后，变换器输出立即改变，且输出电压精度高。测试时将DC/DC变换器输出电压值依次按照48 V—45 V—40 V—48 V进行设置，其输出响应曲线如图8a）中输出电压曲线所示，且蓄电池输入电流在输出电压改变时也发生相应的变化。远程控制程序通过CAN总线实时获取DC/DC变换器输入端、输出端的电压、电流数据，根据获取的数据绘制出响应曲线。实验测试表明设计的程控升降压DC/DC变换器程控性能良好，输出达到设计目标。

为测试程控DC/DC变换器的变换效率，利用直流电源代替测试平台中的储能电池，对设计的程控升降压DC/DC变换器效率进行测试，测试结果如图8b）所示。当直流电源输出功率为2 130.891 W时，DC/DC变换器输出功率为2 010.9 W，变换器效率为94.37%，该效率包含DC/DC变换器损耗及散热风扇功率。DC/DC变换器选择的散热风扇功率为15 W，若不计算散热风扇功率，则DC/DC变换器的转换效率为95.1%。从图8看出，在变换器输出功率较轻时，效率稍微偏低;在功率达到800 W后，其效率基本保持在94%左右，变换效率较高。

5  结  语

本文利用NQ60升降压变换模块，设计了一个输出电压为0～60 V可调、最大输入或输出电流为80 A的程控升降压DC/DC变换器，实现对储能电池输出电压的变换，以满足用电设备对供电电压的要求。实验测试结果表明，设计的程控升降压DC/DC变换器程控效果好，转换效率高，能在较大电压范围内实现变换。

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