一种双向DC/DC变换器的研究与设计

    胡尹

    

    

    摘要：本系统TPS4530为核心设计了高效率的DC/DC变换电路，此电路是用脉宽调制工作方式，通过开关管把直流电斩成方波并调节方波的占空比来改变电压，来达到对电池恒流充电的效果；通过L7805CV正电压稳压器模块作为系统的辅助电源，方便控制。本系统具有过流保护及热关断功能，并以数码管显示其电流的变化。

    关键词：双向Dc/Dc变换电路；TPS4530；测控电路；步进控制

    双向DC-DC变换器是实现直流变换器两象限运行的电路，用于实现直流电能的双向传输，实质上是两个单向直流变换器。对于它的研究，国内外有众多文章介绍它的设计与开发方法。本文则从减少设备体积与重量的角度，兼顾效率的前提下进行设计和研究，有一定的参考价值。

    1.设计方案的论证与选择

    方案一：采用LM2596开关电压调节器组成DC/DC变换电路，它能够输出3A的驱动电流，可调电压输出范围在12-37v之间，具有过流保护和限流保护功能，效率达到80%，但是不能将效率提高到90%至以上。

    方案二：采用双向DC/Dc变换电路模块，找不到完全符合设计要求的模块。

    方案三：采用TPS5430组成电路，该芯片同样具有高电流输出，达到3A，宽电压输入范围在5.5～36v之间，高转换效率达到了95%，有过流保护及热关断功能，与其他同类型直流开关电源转换芯片相比更符合题目要求。

    综合以上3种方案，选择方案三。

    2.辅助电源的论证与选择

    方案一：工频电源（220v）为其供电。

    方案二：使用直流稳压电源（U处）与L7805芯片电路为其供电。

    综合考虑采用方案二。

    3.系统理论分析与计算

    3.1双向DC/DC变换电路的分析

    直流變换电路主要工作方式是脉宽调制（Pulse WidthModulation，PWM）工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）来改变电压。

    图1左上部是一个斩波基本电路，UD是输入的直流电压，堤开关管，UR是负载R上的电压，开关管V把输入的UD斩成方波输出到R上，右上部线为斩波后的输出波形，方波的周期为T，在V导通时输出电压等于ud导通时间为ton在V关断时输出电压等于0，关断时间为toff占空比D=ton/T，方波电压的平均值与占空比成正比。改变脉冲宽度即可改变输出电压，在时间t1前脉冲较宽、间隔窄，平均电压（URT）较高；在时间t1后脉冲变窄，平均电压（UR2）降低。固定方波周期r不变，改变占空比调节输出电压就是PWM法，也称为定频调宽法。

    3.2芯片公式与元器件选择

    该款TPs5430在PH和GND之间接外部钳位二极管。选定的二极管必须满足大于该系统的绝对最大额定值：反向电压必须比最高PH电压还高，这是vINMAX+0.5，峰值电流必须大于IOUTMAx再加上峰值电感电流一半。重要的是要注意该二极管传导时间通常长于高侧FET，因此重视对二极管参数配置可以使整体效率显著提高。对于这个二极管，反向电压40v，正向电流3A，正向压降为0.5V。

    C1=10uF，C2=0.01uf，C3=220uF

    L1=22uH

    Rl=10kQ，R2=510Ω

    3.3辅助电源的分析

    辅助电源使用L7805芯片模块为其供电，C1，G3为小电容，过滤低频信号；C2，C4为大电容，过滤高频信号。取C1=G=0.1uF，G2=4700uF，C4=1000uF。

    4.电路与程序设计

    4.1主电路的设计

    系统电路的总体框架如图2所示。

    4.2辅助电源设计

    辅助电源需自制或自备，可由7805芯片模块为其供电。辅助电源电路子系统电路如图3所示。

    5.结语

    通过对这个课题的设计，设计小组学到了很多在课堂上学不到的知识，对单片机有了更多的认识。在设计中也不可避免地遇到了很多问题，如经过选择排除的TPS5430芯片并不能在软件库里找到并仿真，在面包板上搭建的电路因为二极管选择错误，出现了过热的问题，好在经过反复试验已经基本完成了设计的要求。