基于ＳＴＭ８ 的双向ＤＣ－ＤＣ 变换器设计分析
范宜标，邓松超，陈晶晶，李以虎
【摘 要】摘要：设计的双向 DC－DC 变换器采用 STM8 单片机产生 PWM 脉冲信号，经过半桥驱动芯片IR2104 控制 MOS 管，从而控制 BUCK ／BOOST 拓扑电路。 单片机内部自带的 10 位 ADC 能通过电压电流检测实时反馈电流和电压数值，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。 实验结果表明，该变换器可以提高输出电流、电压的控制精度，具有良好的稳定性。
【期刊名称】龙岩学院学报 【年(卷),期】2017(035)002 【总页数】6
【关键词】双向 DC－DC 变换器；高效；BUCK／BOOST；闭环控制
目前，锂电池的生产过程都需要经过锂电池化成这道工序，即需要对锂电池进行多次的充电和放电。 由于成本和技术的限制，国内的锂电池化成主要通过充电电源对电池进行充电，放电时采用并联电阻的方式，将锂电池大量的能量消耗在电阻上，造成双向 DC－DC 变换器转换效率不高、电压和电流稳定性不好，这可能会使得系统稳定性下降［1－2］。 将单片机技术运用到电力电子器件上，使 DC－DC 变换器实现数字化控制，通过单片机的两路 PWM（PulseWidth Modulation）脉冲输出控制变换器工作于 BUCK 模式或是 BOOST 模式。 系统采用闭环控制系统，通过采样电阻的反馈电压，调节 PWM 脉冲的占空比，实现变换器的输入恒流、输入恒压、输出恒压。作为一种新型电力电子器件，双向 DC－DC 变换器可以实现在变换器两端电压的极性不改变的情况下，根据
实际需要改变电流的工作方向，实现能量的双向流动。
系统由测控电路、辅助电路和DC－DC 主电路组成，如图1 系统框图所示。按键电路用于控制 BUCK／BOOST 电路的开启和输出电流的控制，液晶显示电路实时显示电压、电流的信息，单片机通过控制 PWM 对主电路进行控制，采样电阻获取压降后，通过放大电路将信息传送到单片机中，单片机经过处理后，实现对电路中的电压、电流的调控。
1 双向 DC－DC 变换器设计电路
1.1 BUCK／BOOST 主拓扑电路
本文所采用的拓扑结构如图2 所示，通过对控制 Q1和 Q2两个功率开关可以实现由电池侧向负载侧的降压变换和由负载侧向电池侧的升压变换。 使用低导通内阻的场效应管代替 BUCK／BOOST 变换器的续流二极管，实现同步整流，系统损耗更小。 配合单片机技术，此变换器可以实现稳定负载电压和电池充电管理的功能。
BUCK ／BOOST 主 拓 扑 电 路 由 IR2104 半 桥 驱 动器，三极管放大电路和晶体场效应管组成［3］。 按下 按键 S1 或 S2，单片机设定为充电或放电模式，此时单片机产生两路 PWM 脉冲信号输入到 IR2104 中，使其输出驱动信号，经过由三极管 SS8050 和 SS8550 组成的功率放大电路放大 IR2104 输出的驱动信号，从而控制晶体场效应管的导通与关闭。 PA3 产生的 PWM 脉冲信号控制系统是否工作，PA4 产生的 PWM 脉冲信号控制系统的工作状态。 通过改变 PWM 脉冲信号的占空比，改变晶体场效应管的导通与关闭的周期，从而达到控制输出电压与输出电流的值。原理图如图3所示。
其中 IR2104 是一种高性能的半桥 驱 动 芯片，SD为 IR2104 的控制 端， 当
SD置 1， 系 统正常工 作， 使 能IR2104。 IN 是 PWM 信号输入端，LO是低端 MOS 管驱动输出，HO是高端 MOS 管驱动输出［4］。采用该芯片降低了整体电路的设计难度，只要电容 C 选择恰当，该电路运行稳定。 1.2 电压电流检测电路
要实现对锂电池充放电过程进行准确检测及控制，需要对锂电池的端电压及充放电电流进行A／D采样。
电流检测电路：将锂电池的充放电电流经过采样电阻 0.02 Ω 后产生的压降，送入到 AD620 的同向输入端，经过放大后送入到单片机内，单片机将收到的模拟量经过 A／D 转换后变为数字量后，在液晶显示屏上显示充放电电流的大小。
具体采样电路如图4所示。
AD620 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器，具有非常低的输入失调电压，基本上不需要额外的调零措施［4－5］ 。 AD620 同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这些特性使得 AD620 特别适用于放大传感器的微弱信号。
本次设计滑动变阻器设定值约为 48 K，即 AD620 芯片的放大倍数为： 当电流输入为2 A 时，单片机检测到电压为：
电压检测电路：采用分压检测，通过采样电阻对输入电压进行分压，将获取到的小电压送入到单片机内，单片机将收到的模拟量经过 A／D 转换后变为数字量，在液晶显示屏上显示。 转换电压分压检测电路如图5所示。 电压放大倍数为：
当电压输入为 38 V 时，单片机检测到电压为：
基于STM8的双向DC-DC变换器设计分析
