三端口DC-DC变换器的设计与实现*

关志艳

(山西工程科技职业大学信息工程学院，山西 太原 030619)

1 概述

1.1 任务

依据2021年11月全国大学生电子设计大赛本科组C题三端口DC-DC变换器，其结构框图如图1所示。变换器有两种工作模式：模式Ⅰ，模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电(IB>0)；模式Ⅱ，模拟光伏电池和电池组同时为负载供电(IB>0)。根据模拟光照(US的大小)和负载情况，变换器可以工作在模式Ⅰ或模式Ⅱ，并可实现工作模式的自动转换，在各种情况下均应保证输出电压UO稳定在30 V。

图1 三端口DC-DC变换器结构框图

图1中直流稳压电源、二极管D、电阻RS构成模拟光伏电池。直流稳压电源建议使用输出电压不小于60 V(可两路串联获得)，额定电流不小于3 A的成品电源；二极管D、电阻RS的选用应注意电流、功率等指标，必要时加装散热装置。电池组由4节容量2000～3000 mA的18650型锂离子电池串联组成，采用自带管理功能(或自带保护板)的电池。

1.2 要求

1)Us=50 V、Io=1.2 A条件下，变换器工作在模式Ⅰ，Uo=30 V±0.1 V，IB≥0.1 A。

4)IO=1.2 A、US由55 V减小至25 V，要求：变换器能够从模式I自动转换到模式Ⅱ。工作模式Ⅰ为模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电；工作模式Ⅱ为模拟光伏电池和电池组同时为负载供电。

2 方案比较、思路分析和模块选择

根据题目要求，本系统主要由电压调节器模块、单片机模块、显示模块、继电器模块等构成。

2.1 电压调节器模块

1) 负载端供电

方案一：LM2596S降压模块。输入电压4.75 V～40 V,输出电压0 V～37 V,输出电流不超过3 A。可通过此降压模块使输出电压满足用电负载的需求30 V，防止烧坏设备[2]。

方案二：LM317稳压可调电路。输入电压范围为3.5 V～40 V,输出电压范围1.2 V～37 V时能够提供超过1.5 A的电流，此稳压器易于使用稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。

综合以上两种方案，选择方案一。

2) 锂电池端供电

采用4节18650型的锂电池组成的电池组，每节3.7 V，共14.8 V，所以输入最高为14.7 V。LM2596电压调节器的输出最高为40 V以上。所以满足此要求可在不同模式下实现充放电功能。

2)相比于还需要借助眼镜来实现的VR技术的AR，已经可以摆脱智能眼镜的捆绑，因此也获得了更大的发展空间，得到了很多科技企业和景区的青睐。

3) 单片机供电

市面上的单片机的供电电压一般为3.3 V～5 V之间，在此情况下，可满足LM2596的使用。

2.2 单片机模块

方案一：STC89C52是8位的控制芯片，有256 B的片内RAM，8 kB的Flash ROM，32个I/O口，4个16位可编程定时计数器,4个中断，但内部并没有集成ADC/DAC，在本系统中要检测模拟光伏端的电压值，就必须使用单独的ADC来测。

方案二：STM32F103是32位的控制芯片，内部硬件资源功能强大。在本系统中要检测模拟光伏端的电压值，可以直接使用其自带的ADC即可，方便准确，且团队成员更熟悉STM32F103。

最终选择以STM32F103单片机为控制核心。

2.3 显示模块

由于单片机采用STM32F103,则用OLED液晶显示器搭配使用完成显示功能，可以显示汉字、图像等，比常用的LCD1602可显示的内容量、内容种类更丰富。

2.4 继电器模块

继电器实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。本系统利用STM32F103检测模拟光伏端电压，当电压值低于阈值，控制使用继电器来进行工作模式切换。由于单片机的工作电压在3.3 V，因此选用4路5 V继电器，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用[3]。

3 系统硬件设计

3.1 理论分析与计算

1) 模拟光伏电池

RS=10 Ω、IS=3 A，则PS=90 W，所以选择RS为10 Ω/100 W的规格。

2) 测试采样点

单片机需要检测模拟光伏电池端电压，而单片机承载电流在20 mA,可检测电压在3.3 V以内，因此需要并联两个电阻R1与R2，其中一个电阻分压在3.3 V内，才可检测出电压，再经过等比计算可推算出模拟光伏电池端的电压值[4]。

R1+R2=10k Ω、UR1=2 V、UR2=53 V，

计算得到：R2=27R1

只要符合电阻比率即可，因此取R1为500 Ω/2 W的规格，R2为10k Ω/2 W的规格。

3.2 整体电路结构

本系统以STM32单片机为主控制器,设计并制作用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，实现可按键设定亦可自动转换电池充放电模式的功能。系统由STM32内部寄存器及扩展口功能，加上电压调节器模块、单片机模块、显示模块、继电器模块等组成，如图2所示。

图2 整体电路结构

3.3 主程序流程图

本编程主要采用KEIL5软件来编译程序。图3是三端口变换器中STM32智能切换工作模式的流程图。

图3 主程序流程

4 测试方案与测试结果

4.1 测试仪器

测试仪器包括6个数字万用表和直流稳压电源，直流稳压电源建议使用输出电压不小于60 V(可两路串联获得)，额定电流不小于3 A的成品电源。

图4 三端口DC-DC变换器测试接线图

4.2 测试结果

1)Us=50 V，Io=1.2 A条件下，变换器工作在模式Ⅰ，UO=30 V±0.1 V，IB≥0.1 A。

表1 测试结果1

2)Io=1.2 A，Us由45 V增加至55 V，电压调整率Su≤0.5%。

表2 测试结果1

3)Us=50 V，Io由1.2 A减小至0.6 A，负载调整率SI≤0.5%。

表3 测试结果1

5 结语

该三端口DC-DC变换器主要实现了模拟光伏电池端、充放电锂电池组与负载端的相互关系，主要利用LM2596DC-DC变压器来实现负载端和STM32端所需要的稳定电压。STM32利用自带的ADC来实时监测模拟光伏电池端电压，到达阈值切换继电器R1、R2、R3来实现锂电池的充放电。