基于TL494的双向Buck-Boost BDC高效开关电源设计

黄仲平，徐 航，沈 烨

(四川大学 电气信息学院, 四川 成都 610065)

基于TL494的双向Buck-Boost BDC高效开关电源设计

黄仲平，徐 航，沈 烨

(四川大学 电气信息学院, 四川 成都 610065)

双向DC-DC变换器；TL494；IR2111；MSP430单片机

1 目的、意义与可行性

在一个直流供电系统中，并不局限于单一的“充电”或者“放电”模式，往往需要能量的双向流动。如电动汽车中的燃料电池，给汽车运动系统提供电能的同时从压缩机处吸收能量，只有吸收的能量大于等于提供的能量汽车才能正常运行[6-7]；太阳能电池阵也是如此，航天器外围的太阳能板是一个双向DC-DC变换器，即可以为航天器时刻提供工作电压，也需要不断吸收太阳能[8]；不停电(UPS)系统中的放电单元和充电单元也可以理解为双向boost-buck电源[9]。随着科技的发展，双向DC-DC供电系统应用会越来越广泛。

针对现状，本文主要介绍一种双向DC-DC变换器的设计，它是基于430单片机的半智能型、功率因数可调的高稳定度和高精度的开关电源系统。该开关电源不仅可以满足大多低压系统电源供给，而且电路简单、可靠、稳压性能好，开关电源部分所用器件少，从而提高了开关电源的可靠性，并且完成了双向电源的任意切换，有一定的实际应用价值。

2 硬件电路整体框图

该电源采用同步整流技术实现双向功率变换。该同步整流电路由两个N-MOSFET构成，通过PWM控制器和功率放大芯片驱动上下开关管，其分别构成具有Buck降压和Boost升压电路的双向DC-DC变换电路。同步整流电路中用开关管代替常规升降压电路的续流二极管，功率MOSFET的通态电阻远远小于二极管导通时电阻，能大大降低损耗，可以有效提高DC-DC变换器的效率。此方案控制简单，可以通过切换MOSFET状态快速切换电路的功率流向，操作易行，效率极高。同时电路的结构较为简单容易实现。双向开关电源整体框图如图1所示。

图1 双向开关电源整体框图

图1主要分为主电路和控制电路两部分。主电路部分主要是开关管的应用，利用不同占空比PWM波来控制输入电压和输出电压的关系。控制电路部分相对比较复杂：1)无论是Boost还是Buck电路均需要闭环反馈，保证输出电压的稳定，由采样电路、放大电路、比较电路结合TL494芯片共同完成；2)使用PWM波产生电路及功率放大电路，产生电路在比较了ARM-LM3S1138芯片、MSP430单片机以及TL494芯片后，选择了简单可靠的TL494芯片，同时功率放大也选择了外围电路较为简单的IR2111。最后显示和自动切换控制芯片选择了较为简单的MSP430单片机，用来完成电路智能控制、时时显示以及过压保护等功能。

2.1 脉冲宽度调制PWM波产生

常用产生PWM波的芯片[10]有TL494、SG3525、UC3842、TOPWitch及Ting-Switch等。依据外围器件数、频率范围、性价比和功率等方面进行综合比较，最终选择简单易用的TL494芯片。

TL494是美国德州仪器公司生产的一种固定频率脉宽调制电路，片内集成线性锯齿波振荡器和误差放大器，外置振荡元件包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式和全桥式开关电源[11]。外围接线如图2所示。

2.2 驱动电路设计

IR2111是一种高压、高速功率放大芯片，具有可靠的高低通道输出的MOSFET和IGBT半桥驱动芯片驱动端，为避免输出半桥的直通，提供了内部死区时间。浮动通道可以用来驱动配置在高侧运行高达600 V的N沟道功率MOSFET管或IGBT管[12]。

采用一片IR2111可以完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术使得元件的驱动电路仅需一个输入，就可实现对两组MOSFET或IGBT的最优驱动，同时还具有完善的保护功能。IR2111芯片仅需要一路PWM波就可以同时驱动开关管和续流管，完成单项电源设计，优于IR2110芯片。其原理图如图3所示。

该模块中IN端接入TL494 PWM控制电路产生的PWM输入信号，因此，在输出端Ho和Lo分别可以输出相反的PWM驱动信号，实现对整流电路中上管和下管的驱动。

2.3 参数计算

2.3.1 变换器电感的计算

选择电感的主要依据就是变换器输出电流大小。假如电源输出的最大额定电流Imax，最小额定电流为Imin。

1)当电源工作在连续工作模式(CCM)时，周期T、输入电压Uin、输出电压Uout与开关管导通时间T0的关系为：

(1)

2)在电源输出最大电流达到Imax时，电感不能进入饱和且电流降低到最小时，不能进入不连续模式(DCM)，需要满足：

图2 TL494电源芯片接线图

图3 PWM驱动电路原理图

(2)

联立式(1)和式(2)，可以得出：

(3)

2.3.2 电容值的计算

首先由电源指标要求得到电压纹波和电感电流变化量；然后求出电容的等效电阻值；最后根据铝电解电容的特性电容值和等效电阻值乘积是一个常数，计算出系统应该选用的电容值[13]。

3 控制电路设计

3.1 负反馈电路设计

反馈电路一般采用光电耦合器、霍尔器件或者运放实现。

光电耦合器采样负载电流，通过放大反馈到输出端。该方案具有较高的精度和较好的稳定性，但是电路结构复杂，器件较多。霍尔元件线性度好，且精度较高，但因其价格较高且其要使用具有相当功率的正负电源供电，造成系统效率的下降而被放弃。使用OP07双极性运算放大器采样负载电流，因OP07具有非常低的输入失调电压，在很多应用场合不需要额外的调零措施。同时还具有高电源电压范围(±3～±22 V)以及较宽的输入共模电压范围(最小值±13 V)，且高性价比等特点。使得OP07能够满足本系统对高端电流差模信号采样线性放大的要求。因此本文电源采用OP07来完成单片机与TL494之间的构成闭环控制系统。

3.2 双向Buck-Boost电路智能切换

双向Buck-Boost BDC既可以升压，又可以降压，需要设计对电压不同工作状态进行智能切换，通过控制PWM控制电路中的TL494芯片，可使其E1脚和C2脚分别输出两路反相的PWM控制信号，其中E1引脚输出占空比恒定为D的PWM信号，则C2脚恒定输出占空比为(1-D)的信号，如图4所示。通过Header3开关的转换，可以选择将其中任何一路信号送入IR2111半桥驱动的输入端; 设IR2111的2脚输入PWM信号的占空比为D1,则通过半桥驱动，Ho与Lo引脚分别输出占空比分别为D1与(1-D1)的驱动信号，分别对整流电路中的Q1与Q2进行驱动控制。如果受驱动后的MOSFET其驱动信号占空比为D，那么该管极为开关管，对电路的开关状态进行控制；而另一个MOSFET驱动信号占空比为1-D，起续流作用。

图4 控制部分电路图

因此，可以通过控制MOSFET Q1与Q2PWM驱动信号的占空比来控制电路的升、降压状态，从而实现整流电路的降压充电与升压放电的功能。

4 测试结果与分析

电源参数测试结果如表1所示，对Buck和Boost电路分别从负载调整率和电压调整率两个方面进行测试。

表1 双向电源参数测试

5 结束语

针对双向Boost-Buck电源的要求，本文以TL494控制双开关管不同的工作状态实现主电路的升降压变化，控制电路以MSP430单片机为控制器，结合电流、电压采样电路，控制电路输出参数，可以对电源工作状态进行智能切换。该产品具有精度高、纹波小、效率高和性能可靠等优点，可广泛应用于各类小功率变换场合。

[1]刘学超，张波.带输出饱和电感的零电压开关三电平直流变换器[J].电工电能新技术, 2003, 22(4): 73-76.

[2]曹鑫，祝龙记.基于DSP 的电除尘器用高压脉冲电源的设计[J].电测与仪表, 2014, 51(6): 81-84.

[3]王允和.开关电源控制电路SG3525A[J].应用电路与制作, 1995, 621(10): 45-46.

[4]陈永真，孟丽囡.高效率开关电源设计与制作[M].北京：中国电力出版社, 2008.

[5]衡耀付，陈富军.一种基于UC3842 的新型开关稳压电源设计[J].电力自动化设备, 2009, 29(9): 133-136.

[6]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京: 机械工业出版社.2000.

[7]曹发海，吕建平.基于UC3842 芯片的多功能开关电源设计[J].电工电气, 2012, 12(6): 26-28.

[8]张波，汪义旺，凌湘斌.基于UC3844 的反激式开关电源设计[J].通信电源技术, 2014, 31(3): 27-29.

[9] 苏玉刚，刘耀中，夏晨阳.变压及变压变频电源仿真模块的设计[J].重庆大学学报, 2011, 34(2):44-51.

[10]李学亮，宋建成，郑丽君.基于纹波电压补偿的单相PWM可逆整流器的研究[J].电气技术, 2008, 11(5):65-68.

[11]李燕，肖龙斌，尹晓林.基于TL494的井下高频开关电源应用分析[J].山东煤炭科技，2010(2):82-83.

[12] 穆云田.基于单片机控制的直流恒流源的设计[D].天津: 河北工业大学, 2007.

[13] 李娜，杨玉岗.本质安全BOOST开关电源的设计[J].电气传动, 2011(6):19-22.

Design of High Efficiency Switching Power Supply Based on TL494 for Bidirectional BDC by Buck-Boost

HUANG Zhongping，XU Hang, SHEN Ye

(School of Electrical and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610065)

bi-directional DC-DC converter; TL494; IR2111; MSP430 MCU

2017-00-00；修改日期:2017-00-00

四川大学2015年实验室教学改造项目(87)

黄仲平(1962-)，高级实验师，主要从事电子技术应用方面的研究。

徐航(1987-)，2601024236@qq.com

TN702

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.004