基于51单片机的双向 DC-DC 电源设计

王贵龙 唐杰 陈日恒

摘 要：为探究双向DC-DC变换器的工作特性与设计流程，本文通过各种方案的论证和元件参数的选取，综合考量经济型和实用性，制作了一套应用于5节串联18650型锂电池组充放电应用的非隔离型双向DC-DC变换器。本设计采用STC12C5A60S2单片机发生47kHz的PWM脉冲信号，经过IR2104控制MOS管，从而控制整个双向DC-DC变换电路。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测电流实时反馈双边的电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电流电压闭环控制系统。

关键词：双向DC-DC变换;锂电池充放电;STC单片机;IR2104

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.145

0 引言

现今在广泛应用的非隔离型双向 DC/DC 变换器所属的拓扑种类繁多，优缺点和适合使用的场合各有不同，但究其本质，依然是由几种基本拓扑发展而来，不外乎buck、boost、buck-boost和cuk的不同组合或它们的变形电路的不同组合构成。根据直流源的情况分为电压源双向 DC/DC 变换器和电流源双向 DC/DC 变换器两个种类 [1-2]。

宁波大学信息科学与工程学院的张斌教授，针对锂电池化成过程中采用电阻放电带来的大量能量浪费现象，设计了一个双向DC-DC变换器，可以实现化成放电能量的高效回收。该变换器以Buck/Boost双向DC-DC变换器作为主电路拓扑。主要由Buck驱动电路、Boost驱动电路、电压/电流采样电路等部分构成。介绍了系统的基本结构，分析了电路的工作原理，并对方案设计给予了详细说明。实验结果表明，该变换器可以实现电池充电、放电功能，控制精度高，具有良好的稳定性。

1 双向DC/DC变换器

双向直流变流器可视为两个单向DC/DC变换器相互反向并联，其主要特点在于能量可在同一电路中实现高压端与低压端之间双向流动。

本文设计出一种基于STC系列51单片机的双向DC-DC变换器。本设计可以按键选择系统工作模式，在充電模式下，实现降压给锂电池恒流充电，充电电流为1-2A内可调，步进为0.1A，充电电压到达24V时进行过充保护，系统效率大于90%;在充电模式下，实现锂电池供电的对外升压供电，输出电压稳定在30V，系统效率达到95%。同时液晶显示屏上可以显示出当前的工作模式以及实时的电压电流值。

由此可以看出，双向直流变流器的优势在于其具有功率元件少、转换方式直接，相对于两单向变换器相并联的形式，实现了减小体积、降低成本。这些优势使其在直流微电网系统中的电能存储端处广泛应用。

2 硬件系统分析

2.1 系统论述

本设计拟采用的拓扑如图1所示。

当V1作为电源，而把V2作为输出时，开关管Q1开通，Q2关断期间，电源V1通过Q1向后级输出电能;开关管Q2开通，Q1关断期间，Q1阻断电源V1向后级输送电能的通道，Q2提供续流回路，在Q1、Q2之间产生方波，经过后级的LC滤波器，输出平滑的直流电压，由于开关管Q2可以双向导通，因此该拓扑下电感只能工作在电感电流连续状态下，根据公式有输出电压：

其中D为开关管Q1的占空比。当V2作为电源，而把V1作为输出时，开关管Q2开通，Q1关断期间，电源V2通过电感构成回路，即此时电源向电感充电储能;开关管Q1开通，Q2关断期间，Q2阻断电源给电感储能的通道，Q1导通，此时电感和电源共同向后级输送电能，经过后级的电容滤波后，输出平滑的直流电压，同样的，由于开关管Q1可以双向导通，因此该拓扑下电感只能工作在电感电流连续状态下，根据公式有输出电压：

其中D为开关管Q2的占空比。

电感在不同的工作模式下，其功能完全不同。在降压工作模式下，电感和电容共同构成LC滤波器，滤出输出电压中的高次谐波，得到平滑的输出直流电压;在升压工作模式下，电感作为储能元件，在开关管Q2开通期间将电能储存在电感中，在Q2关断Q1开通期间输送到后级。

2.2 Buck工作原理与分析

当开关管Q1开通，Q2关断期间，可以将开关管Q1当作导线，而Q2当作断路。设此时的输出电压为VS，输出电压为VO，LC构成低通滤波器。

当开关管Q2开通，Q1关断期间，可以将开关管Q2当作导线，而Q1当作断路， 按照串连型开关电源的电容推导公式，此中C为电容容量、Io为一个模块输出电压、△Up-p为输出纹波电压，T为PWM一个周期的时间。

2.3 Boost工作原理与分析

若把V2作为输入，V1作为输出，则拓扑为boost。 因为Q1关断，输入输出由Q1进行隔断开来，此时电源通过电感构成回路，电源将电能存储到电感当中。当Q2开通Q1关断时，在电感电流连续时，最小负载电流IOB有：

3 硬件设计

3.1 硬件设计框架

基于单片机的开关电源设计，由STC单片机、变压器，整流滤波电路，BUCK主回路、降压稳压电路、按键电路、液晶电路、电压检测电路、电流检测电路等组成。总体设计框图如图2所示。下面分别论证这些方面的详细方案选择。

3.2 硬件选择

单片机最小系统设计STC12C5A60S2单片机，在指令代码的方面可以完全兼容传统8051，同时它的速度比传统的8051单片机要快8-12倍，体现了其高速度的一面。

开关管的驱动则选用IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理。

电路供电电源的选择开关降压芯片LM2596稳压至12V，供驱动芯片IR2104工作，后级使用LM7805稳压至5V，给单片机系统供电。

电流检测电路要完成对输出电流的闭环控制，务必对输出电流经过运放放大后进行采样反馈，电流检测采用康铜丝电阻采样电流信号。

电压检测电路要完成对输出电压的闭环控制，务必对输出电压进行采样反馈。本设计采用电阻分压法对电压进行采样，分压电阻发生的电压，输入到MCU的ADC端口。

4 软件设计

4.1 流程图

系统软件流程图如下图3所示。

4.2 AD采样程序

在使用单片机内部的ADC之前，需要对其相关的寄存器进行配置，即需要对ADC模块进行初始化。ADC模块的工作模式由特殊功能寄存器P1ASF设置，给该寄存器赋值，决定选中8路ADC通道的哪一路进行使用，本设计使用了两个ADC通道，即P1.0和P1.1，实际将低三位配置为ADC通道，其中P1.2备用，所以寄存器配置为P1ASF=0x07。ADC模块的特殊功能寄存器ADC_CONTR可以進行位操作，用以控制相应功能，在初始化时，将ADC模块电源打开，即ADC_POWER=1。

5 系统测试

按照设计要求进行相关数据的测试，并将测试数据记录到相应的表格中。

5.1 升降压测试

断开S1，接通S2，通过按键设定双向DC/DC变换器工作在升压模式，测试此时输入输出电压，记入下面表1中。断开S1、S2，接通S3，通过按键切换双向DC/DC变换器工作在降压模式，测试此时输入输出电压，将数据记入下面表2中。

充电状态下充电电压高于24V进行过充保护，实测电压高于23.93时，电路进入保护状态，并只能通过复位控制电路得以恢复。

5.2 电路效率分析

通过以上表1与表2的数据分析，可以得到在升压放电状态下，带30Ω的阻性负载，效率可以达到95%以上;在降压充电模式下，效率可以达到93%以上。

6 总结

由上表的数据计算知，电流控制精度为1%; 时变换器效率为94.33%;电流显示精度为1%;因此51单片机很好的控制了双向DC-DC变换器的升降压模式切换和设备效率。

参考文献：

[1]武伟，谢少军，张曌，许津铭.基于MMC双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计[J].中国电机工程学报，2014（27）.

[2]刘彬，沈爱弟，高迪驹等.混合动力船舶双向DC-DC变换器的研究与设计[J].现代电子技术，2014，（24）：133-137.

基金项目：湖南省自然科学基金项目（2018JJ2367）;湖南省科技计划项目（2016TP1023）;研究生科研创新计划项目（CX2018SY014）

作者简介：王贵龙（1995-），男，辽宁盖州人，硕士在读，研究方向：新能源发电与储能技术。