基于微机控制的双向DC—DC变换器设计

蔺鹏

摘要：文章设计了一种微机控制的双向DC-DC变换器。它通过采集电池组充电或放电状态时的电流、电压信号送给AD转换器，微控制器利用PID算法实现对控制量的计算以PWM脉冲控制双向DC-DC变换器场效应管的导通时间，完成电池组恒流充电或恒压放电，实现能量双向流动。

关键词：双向DC-DC变换器；PID算法；PWM；恒流

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0210-02

1概述

在一个电路系统中直流电源间需要双向能量流动情况都需要双向DC-DC变换器。它是指当双向DC-DC变换器的输入、输出电压极性不变，通过控制变换器使输入、输出电流方向发生改变，同时保证输入和输出端口的电流和电压能稳定、可控，保证能量双向流动。双向DC-DC变换器可以看做一个中间电路网络，不仅可以使功率从输入端流向输出端，也能使输出端流向输入端。因此直流电机驱动系统、不间断电源系统、航空航天电源、太阳能（风能）发电系统、能量储存系统、电动汽车动力系统等广泛应用。

本文设计一种DC-DC变换器，能够实现能量的双向流动，当电池充电时电流可调并可恒流控制，当电池处于放电状态时变换器输出恒压控制。

2系统结构

系统总体结构如图1所示，控制器通过控制DC-DC变换器电路开关实现直流电源对电池充电或反之控制DC-DC控制器实现电池放电。当处于充电状态时，ADC检测电池充电电流并反馈给控制器，然后控制器控制DC-DC变换器以设定值保持恒流方式充电。当电池放电时，ADC检测电池输出电压，控制器控制DC-DC变换电路保持恒压输出。按键用于设置充电电流、电压。LCD显示充电电流、电压，电池放电电压等。

3系统硬件构成

3.1STC12C5A16S2控制器

系统采用STC12C5A16S2作为主控制器，它具有16KBFLASH程序存储器，1280B内部RAM，2个16位的定时计数器，一个8路10位AD，指令与51单片机完全兼容，时钟频率可达40MHz。STC12C5A16S2将ADC送人的电流和电压值与设定值进行比较后，利用相应算法计算出控制量PWM值去控制DC-DC控制器从而达到对电池组充电、放电过程的控制。

3.2按键和LCD显示

由于仅仅需要对电流和电压进行设置，采用4个独立式按键分别完成电流、电压选择键、加一键、减一键和确定键。为了显示充电电流、电压信号同时减小体积和重量可采用LCD1602显示。

3.3雙向DC-DC控制电路

DC-DC控制电路有两种状态“充电”和“放电”如图2所示，当开关S1、S2处于充电位置时，驱动电路IR2104输出H0为1，L0为0使场效应管Q1导通、Q2截止，直流电源通过Q1对电池组充电并且电感L1储存能量；输出H0为0，L0为1场效应管Q1截止、Q2导通，电感u通过释放能量阻止电池电流增大而放电，上述过程周期出现，且时间短，通过控制H0与L0电平时间即可控制对电池充电。开关S1、S2处于放电位置时，驱动电路输出H0为0，L0为1使场效应管Q1截止、Q2导通，电感储存能量并给电容充电，当输出H0为1，L0为0时场效应管Q1导通、Q2截止，电感、电容及电池共同通过Q1向负载RL供电。Ia和Ib是监测电池组充（放）电电流端点，VB是监测电池组充（放）电电压端点。将电池组电压分压后，将取样电压送微控制器进行AD转换后乘以系数就可知电池组端电压。

3.4双向DC-DC驱动器

IR2104是一个输出逻辑驱动高（低）侧高压、高速功率场效应管驱动器。输入兼容CMOS或TTL电平。IN引脚输出控制HO和LO，当IN为高电平时HO为高电平LO为低电平，IN是低电平时HO为低电平LO为高电平（HO和LO逻辑上总是相反）。SD引脚为电平则HO、LO都为低电平并不随IN变化为变化。IN引脚信号是来自微控制器的PWM信号，HO、LO引脚输出分别驱动高（低）侧场效应管控制实现充放电过程。

3.5电流采集电路

ACS712是一个电流传感器，输出电压与测量的直流或交流电流成线性比例关系。电流从IP+引脚输入，IP-引脚输出，VIOUT端输出与电流成线性关系的电压。FILTER引脚外接电容用于对输出滤波。图3中IP+和IP-分别接入双向DC-DC变换器的Ia和Ib端用来测量电池组充放电电流，输出电压与输入电流的关系VIOUT=0.0667IP+2.5，当充电电流在0-2A变化时VIOUT在2.5V-2.633V之间。VIOUT引脚接一个电压跟随器以提高输出阻抗，将VI输入微控制器STC12C5A60S2进行AD转换。

4系统软件设计

系统软件主要包括按键识别模块、显示模块、AD转换模块、PID运算和PWM产生模块。主流程如图5，通过中断方式实现按键识别，定时中断完成对电压和电流采集和AD转换同时利用PID算法实现控制量的输出。