第11题 双向DC-DC变换器

摘要

本系统基于双向同步整流原理，主电路在拓扑结构上整合Buck和Boost两种电路，配合MOS管驱动电路、电流检测电路、辅助电源电路以及输出过流保护电路，使该DC/DC变换器实现能量的双向流通。系统由STM32F103ZET6单片机控制电流的步进可调，同时控制PWM波产生相应恒定电压值，使用TI的MOS管CSD19535代替续流二极管，大大提高了系统效率。本系统在充电模式可达到98%的转换效率，放电模式达到98%的转换效率，电流检测电路使用TI高精度检流芯片INA282，恒定输出的电流精度稳定在1.5%以内，电压精度稳定在1%以内，同时在LCD上显示所处状态，符合基本要求与发挥部分的参数要求。本设计创新点在于将电池充电过程分为三个阶段，通过显示屏实时显示电池所处的充电状态。

关键词 DC/DC电路 同步整流 STM32

目录

1 方案论证 ................................................................................................................................ 3

1.1 方案描述 ...................................................................................................................... 3 1.2 方案比较与选择 .......................................................................................................... 3

1.2.1 主控器方案比较与选择 .................................................................................... 3 1.2.2 显示屏方案比较与选择 .................................................................................... 3 1.2.3 电流检测方案比较与选择 ................................................................................ 4 1.2.4 PWM生成方式比较与选择 ............................................................................... 4 1.2.5 驱动电路方案比较与选择 ................................................................................ 2

2 电路与程序设计 .................................................................................................................... 3

2.1 双向DC/DC主回路与器件 ......................................................................................... 3 2.2 测量控制电路、控制程序 .......................................................................................... 3

2.2.1 测量控制电路 .................................................................................................... 3 2.2.2 控制算法 ............................................................................................................ 3 2.2.3 主程序设计 ........................................................................................................ 4

3 理论分析与计算 .................................................................................................................... 5

3.1 主回路主要器件参数选择及计算 .............................................................................. 5

3.1.1 MOS管驱动芯片IR2110 .................................................................................... 5 3.1.2 电流检测芯片INA282 ....................................................................................... 5 3.1.3 功率管选择CSD19535 ...................................................................................... 6 3.1.4 电感参数计算 .................................................................................................... 6 3.2 控制方法与参数计算 .................................................................................................. 6 3.3 提高效率的方法 .......................................................................................................... 7 4 测试方案与测试结果（见附件） ........................................................................................ 7

4.3 测试结果分析 .............................................................................................................. 7 5 结束语 .................................................................................................................................... 8 6 参考文献 ................................................................................................................................ 8

1 方案论证

1.1 方案描述

本设计采用双向同步整流电路，单片机控制输出两路PWM波经过IR2110驱动高端PMOS管或低端NMOS管。通过控制PWM的占空比来控制两个MOS管的导通和关断。当高端MOS管导通时，低端断开；同理，当低端MOS管导通时，高端MOS管断开，从而实现同步整流，方案总体描述框图1所示：

图1 方案总体描述框图

1.2 方案比较与选择

1.2.1 主控器方案比较与选择

方案一：采用通用的51系列单片机。核心控制部件使用89C51时，为达到设计精度的要求，外围电路使得整个系统硬件电路变得复杂,并且传统的51单片机没有PCA定时器，获得两路PWM较复杂，使得系统的性价比偏低。

方案二：采用MSP430G2553为主控制器，带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200-ksps模数转换器，时钟频率为32kHz, 但引脚相对较少，无法满足要求。

方案三：采用STM32单片机为主控制器，具有72MHz的CPU工作频率，且自带有3个12位模数转换器(多达21个输入通道)，转换时间仅为1μs, 2通道12位D/A转换器。含有多达112个多功能双向的I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断。

经比较，故采用方案三，使用STM32单片机为主控制器。 1.2.2 显示屏方案比较与选择

方案一：采用Nokia 5110显示屏，可以显示15个汉字、30个字符，仅四根I/O线即可驱动，工作速度快；体积很小，质量轻；工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，功耗极低；具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。

方案二：采用12864显示屏，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16 点阵）、128个字符（8X16点阵），可与CPU直接连接，提供两种界面来连接MCU：8-位并行及串行两种连接方式，但12864重量较大，屏幕可显示的容量较小。

方案三：采用TFT液晶屏，高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，但功耗较大，成本较高。 从低功耗角度考虑，采用方案一作为显示屏的方案。

第1页，共8页 1.2.3 电流检测方案比较与选择

方案一：采用AD620运放，将检流电阻两端的电压进行隔离放大，AD620可以实现1到1000的增益，增益范围大且可通过电阻改变放大倍数。但是，由于外接电阻的精度问题，增益不能准确确定，且AD620的共模抑制比较小。

方案二：采用高精度检流芯片INA282进行电流检测，INA282的增益为50倍，共模抑制比比较高，只需外接20毫欧电阻便可完成测量并且非常准确。此外，INA282共模范围为-14~80V。利用INA282实现检流功能，电路简单，能耗较小。

图2 INA282检流电路

经比较，从电路连接上以及精度方面考虑，采取方案二为电流检测方案。 1.2.4 PWM生成方式比较与选择

方案一：采用硬件生成方式，利用NE555产生PWM波形。因为电容器C1开始放电。使得第3接脚到高电位。当第3接脚到高电位时，电容器C1开始通过R1和对二极管D2充电。当在C1的电压到达+V的2/3时启动接脚6，电容器C1起动通过R1和D1的放电。当在C1的电压下跌到+V的1/3以下，因此它与0.01uF电容器相接充电和放电电阻总和是相同的，因此输出信号的周期是恒定的，工作区间仅随R1做变化。PWM信号的整体频率在这电路上取决于R1和C1的数值：

方案二：采用单片机输出方式，STM32中存在高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生多达7路的PWM输出，使用三个寄存器：捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1/2）、捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）、捕获/比较寄存器（TIMx_CCR1~4），无需外部电路且输出精确，不产生过多功耗。

经比较，采用方案二作为PWM输出方式。 1.2.5 驱动电路方案比较与选择

方案一：采用三极管高侧驱动PMOS，74HC573来驱动低侧NMOS管。图为PMOS管驱动电路驱动高端MOS管，R2和R3提供了PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。Q2和Q3用来提供驱动电流，由于导通的时候，Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降，这个压降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。

最后，R1提供了对Q2和Q3的基极电流限制。由于PMOS管栅极电压为高时电压MOS管关断，因此，驱动电路将PWM电压反向。NMOS管为低端MOS管，驱动低测接地即可，因此采用74HC573来驱动低测NMOS管。分立元件存在一定的误差，外部电路复杂，增加了系统的重量及调试难度，且功耗较专用驱动芯片较大。

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图3高侧分立元件驱动 图4 低侧74HC573驱动

方案二：采用集成芯片IR2110，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选芯片。由IR2110直接驱动高低侧电路，IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，具有独立的低端和高端输入通道。

图5 IR2110应用电路

经比较，使用专用芯片外部结构简单，减小系统复杂度及重量，单片机可直接输出PWM驱动芯片，故采用方案二作为驱动电路方案。

2 电路与程序设计

2.1 双向DC/DC主回路与器件

如图7所示，电路中有两个MOS管，其中Q1位PMOS，Q2为NMOS,通过控制MOS管的关断来实现BUCK和BOOST电路。在电路为充电模式时，MOS管Q2相当于BUCK电路的续流二极管，通过控制MOS管Q1的开断来实现BUCK电路，当Q1导通时，Q2关断，实现充电。在电路为放电模式时，MOS管Q1相当于BOOST电路的续流二极管，通过控制MOS管Q2的开断来实现BOOST电路，当Q2导通时，Q2关断，实现放电。

图6双向同步整流电路原理图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/19rf.html