基于微控制器的全數(shù)字雙向DC/DC變換器的研制

O 引言
為了實(shí)現(xiàn)直流能量的雙向傳輸，雙向DC/DC變換器被廣泛應(yīng)用于UPS系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)及蓄電池充放電維護(hù)等場(chǎng)合。
在這些應(yīng)用當(dāng)中，很多時(shí)候都要求開關(guān)電源不僅能夠控制能量的雙向流動(dòng)，還要能夠?qū)崿F(xiàn)低壓、大電流的輸出。在開關(guān)頻率不太高的情況下，隨著輸出電壓的降低、輸出電流的增加，整流損耗就成了影響開關(guān)電源效率的主要岡素。因此，為了提高開關(guān)電源的效率，就必須設(shè)法降低整流損耗。而在本文中采用的同步整流技術(shù)就是一種降低整流損耗的有效手段。
在以往的電源設(shè)計(jì)當(dāng)中，模擬控制技術(shù)因其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無量化誤差、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)崩；而數(shù)字控制技術(shù)則由于其成本和技術(shù)等方面的因素而較少得到應(yīng)用。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字微控制器的成本顯著降低，性能不斷提高，這就使得高頻開關(guān)電源的全數(shù)字化成為可能。由于數(shù)字控制具有能夠簡化系統(tǒng)硬件沒計(jì)、減少分立元件的數(shù)量、改善系統(tǒng)可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此它必將在今后的開關(guān)電源設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

l 系統(tǒng)介紹
1．1 系統(tǒng)基本說明
系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖1所示。圖1中虛線內(nèi)為系統(tǒng)的控制部分。其余為主電路部分。主電路的工作原理將在后面詳細(xì)分析。

在系統(tǒng)的控制電路中，其核心處理器是PHILIPS(飛利浦)公司出品的基于ARM7內(nèi)核的LPC2119微控制器。LPC2119具有高性能、低成本、低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，很適合應(yīng)用于對(duì)成本和性能都有嚴(yán)格要求的工業(yè)控制領(lǐng)域。負(fù)責(zé)A／D轉(zhuǎn)換的是24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器CS5460A，它同樣具有低成本、高性能的特點(diǎn)，以往在各類產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。
控制電路工作時(shí)，CS5460A在獲得系統(tǒng)輸出電壓、電流量的模擬信號(hào)后，將它們轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并通過專用總線傳給LPC2119。LPC2119得到這些信息以后先對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波等軟件處理，然后再將其作為反饋量，用于控制算法的運(yùn)算，得到控制量及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)．最終控制主電路開關(guān)管的動(dòng)作。
1．2 雙向DC／DC全數(shù)字控制的軟件實(shí)現(xiàn)
如前所述，出于簡化控制電路結(jié)構(gòu)、增加系統(tǒng)可靠性等方面的考慮，系統(tǒng)采用以ARM芯片LPC2119為控制系統(tǒng)核心的全數(shù)字化設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)我們期望的控制功能，除了在上面介紹的基本控制電路外，完善、可靠的控制軟件和恰當(dāng)?shù)目刂撇呗砸捕际遣豢苫蛉钡摹?BR> 在控制軟件方面，筆者本著層次分明、時(shí)序分級(jí)、全局考慮、書寫規(guī)范的設(shè)計(jì)總則進(jìn)行了系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)。根據(jù)電力電子軟件的實(shí)際需要，程序整體上分為3個(gè)層次，分別是主控層、算法層和接口層。其中接口層為底層，主控層為頂層，算法層起到連接主控層和接口層的中間橋梁作用。具體來說，主控層不涉及具體的操作，只負(fù)責(zé)各個(gè)任務(wù)的調(diào)度，中斷的安排，時(shí)間和優(yōu)先級(jí)的處理等。主控層有一個(gè)文件，包括main函數(shù)和中斷函數(shù)。在main函數(shù)和中斷函數(shù)中調(diào)用算法層的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。而算法層則負(fù)責(zé)具體任務(wù)的執(zhí)行，控制算法的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的主要功能全都在算法層中體現(xiàn)。接口層負(fù)責(zé)與硬件的接口，所有跟外設(shè)有關(guān)的操作都在該層進(jìn)行處理。
在控制策略方面，本文選擇了增量式數(shù)字PI算法。增量式PI算法的主要優(yōu)點(diǎn)為
(1)增量式算法不用做累加，控制量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，即其誤差不累積。
(2)其每次輸出的是控制量的增量，誤動(dòng)作影響小。
在PI算法中，比例部分能夠改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，而積分部分則能夠減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，理論上可實(shí)現(xiàn)無靜差的輸出。離散化后的數(shù)字PI算法表達(dá)式為

式中：KP為比例系數(shù)；
K1為積分系數(shù)；
e(k)為本次誤差；
u(k)為本次控制量輸出。
由式(1)遞推可以得到

式(1)減去式(2)可得到增量式數(shù)字PI控制算法的表達(dá)式如下：

式(3)中的△u(k)即為數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的控制量的增量。所以，控制算法最終輸出的控制量為：

在裝置的實(shí)際工作當(dāng)中，若負(fù)載為鉛酸蓄電池，則當(dāng)能量正向流動(dòng)(充電)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)需要分別應(yīng)用電壓閉環(huán)或電流閉環(huán)來控制裝置的輸出電壓和輸出電流。電壓、電流閉環(huán)采用的就是本文所述的增量式PI算法；當(dāng)能量反向流動(dòng)時(shí)，出于實(shí)際應(yīng)用的需要，系統(tǒng)只對(duì)負(fù)載(蓄電池)側(cè)進(jìn)行恒流控制。

2 電路工作過程分析
本文提出的主電路拓?fù)淙鐖D2所示，主要包括：電源輸入側(cè)濾波電容C1；主開關(guān)管S1以及由R1、C2、D2組成的S1的SNUBBER電路；變壓器T以及為其原邊進(jìn)行磁復(fù)位的第三繞組和為其副邊進(jìn)行磁復(fù)位的由R2、C3、D3組成的鉗位電路；整流管S2、續(xù)流管S3和輸出濾波環(huán)節(jié)L及C4等幾部分。

2.1 能量正向流動(dòng)時(shí)工作過程分析
為便于分析，假設(shè)此時(shí)負(fù)載為一只蓄電池。電路控制能量正向流動(dòng)時(shí)，主電路每周期的工作總的來說可分為兩個(gè)階段，即正向流動(dòng)階段和續(xù)流階段。但為了防止整流管S2和續(xù)流管S3同時(shí)導(dǎo)通造成變壓器副邊的貫穿短路，兩管的互補(bǔ)脈沖需要加入死區(qū)，因而最終電路的工作過程可分為4部分。主管S1、整流管S2、續(xù)流管S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖3所示，圖3中的l至4即分別對(duì)應(yīng)了電路工作的4個(gè)階段。

當(dāng)能量正向流動(dòng)時(shí)，若輸出電流流過管壓降較大的M0S管寄生體二極管，則會(huì)帶來很大的整流損耗和續(xù)流損耗。為此，我們應(yīng)用了同步整流技術(shù)，使電流流過導(dǎo)通電阻只有6mΩ的MOS管，大大地減小了損耗、提高了效率。以下便是能量正向流動(dòng)時(shí)4個(gè)工作階段的詳細(xì)分析。
階段l(能量正向流動(dòng)) 此階段開始時(shí)，主管S1和整流管S2被觸發(fā)導(dǎo)通。輸入電流流入變壓器原邊繞組的同名端，輸出電流流出變壓器次邊繞組的同名端。此時(shí)能量由輸入側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸?shù)姆绞酵瑐鹘y(tǒng)的單端正激變換器基本一致，其電流流向如圖4(a)中所示。圖4(a)中的i1代表變壓器原邊電流，i2代表變壓器副邊電流(下同)。此過程直到主管關(guān)斷時(shí)才會(huì)結(jié)束。

階段2(死區(qū)時(shí)間1) 此階段剛開始時(shí)，主管S2和整流管S2關(guān)斷，續(xù)流管S3仍未導(dǎo)通但其體二極管已經(jīng)導(dǎo)通。由于變壓器漏感的限制，變壓器副邊的電流由輸出電流逐漸減小，而流過續(xù)流管體二極管的電流則由零開始逐漸增大。在此階段中，輸出電流在由整流回路向續(xù)流回路轉(zhuǎn)換。此過程電流方向如圖4(b)中所示。圖(b)中的i2a、i2b分別表示負(fù)載電流流經(jīng)整流管和續(xù)流管的兩部分。
階段3(續(xù)流階段) 在此階段開始時(shí)，續(xù)流管S3被觸發(fā)導(dǎo)通，所以輸出電流主要經(jīng)由S3續(xù)流，因而損耗大為降低。此階段將持續(xù)到續(xù)流管S3關(guān)斷時(shí)才會(huì)結(jié)束，其電流流向如圖4(c)所示。
階段4(死區(qū)時(shí)間2) 此階段剛開始時(shí)，續(xù)流管S3關(guān)斷，但其體二極管仍導(dǎo)通續(xù)流。輸出電流完全經(jīng)由續(xù)流管的體二極管進(jìn)行續(xù)流。此階段直至主管導(dǎo)通以后才會(huì)中止。此過程電流方向如圖4(d)所示。至此，主電路一周期的工作已經(jīng)結(jié)束。當(dāng)電路下一次的動(dòng)作時(shí)，主管S1和整流管S2又會(huì)導(dǎo)通，電路又重新進(jìn)入階段1時(shí)的工作狀態(tài)。
2．2 能量反向流動(dòng)時(shí)工作過程分析
在能量反向流動(dòng)時(shí)，電路的工作過程與BOOST電路基本一致，可大體分為兩個(gè)階段。
階段l(續(xù)流) 此階段當(dāng)中，續(xù)流管導(dǎo)通、整流管關(guān)斷，蓄電池放電電流i1流過電感線圈L，電流線性增加，電能以磁能形式儲(chǔ)在電感線圈L中。此過程電流方向如圖5(a)所示。

階段2(反向放電) 此階段當(dāng)中，續(xù)流管關(guān)斷、整流管導(dǎo)通。電感L將其中儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)化為電能與蓄電池一起向輸入側(cè)放電。其電流流向如圖5(b)中所示。
2．3 變壓器、電感、電容參數(shù)的選取
綜合電源體積、系統(tǒng)效率、控制精度、器件耐壓等諸多因素的考慮，本文選取的工作頻率f=55 kHz，T=1/f，最大占空比Dmax為0.4，則主管S1的最大導(dǎo)通時(shí)間toNmax為

2.3．1 變壓器的計(jì)算
變壓器副邊電壓Vs按式(6)計(jì)算。

式中：Vo代表輸出電壓；
Vf代表變壓器副邊的管壓降和輸出濾波電感的壓降。
則變壓器副邊最低電壓應(yīng)為

若輸入電壓Vp的最小值為VPmin，于是可求得變比n為

式中：Bm為鐵心的最大工作磁通密度；
S為變壓器磁芯的有效截面積。
因此，可求得變壓器原邊繞組匝數(shù)N1為：

在計(jì)算第三繞組時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)伏秒積平衡的原則計(jì)算復(fù)位電壓Vr為

式中：tDFFmin為主管S1的最短關(guān)斷時(shí)間；
VPmax為最大輸入電壓。
然后可求得負(fù)責(zé)變壓器原邊磁通復(fù)位的第三繞組的匝數(shù)N3為

2.3.2 輸出濾波電感L的計(jì)算
要計(jì)算輸出濾波電感的電感量，首先應(yīng)確定流經(jīng)電感的電流△IL的大小。從電感線圈的外形尺寸、成本、過渡響應(yīng)等方面考慮，△IL取輸出電流Io的10%～30％比較合適。在本文中，為了更好地限制輸出電流中的紋波含量，取△IL為輸出電流Io的10%。綜上，由式(13)可求得電感L的大小。

2.3.3 輸出電容C4的計(jì)算
輸出電容的大小豐要由輸出紋波電壓抑制的限值而確定，也就是由△IL以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR確定。通常輸出紋波電壓取為輸出電壓的0．3％～O．5%，在本文中紋波電壓取0．3％。所以，可求得

在求出ESR后，可根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品手冊(cè)選取合適的濾波電容。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要元器件選型及設(shè)計(jì)參數(shù)如下：主功率器件為HITACHI(日立)的2SKl317，整流管和續(xù)流管采用的是IRL3803，變壓器原邊磁復(fù)位電路中所用的二檄管為PHILIPS(飛利浦)的BYV26G。這里必須指出的是，在進(jìn)行整流管和續(xù)流管的選型時(shí)，除了要考慮功率器件的耐壓、通流能力外，還應(yīng)特別注意導(dǎo)通電阻值的大小。本文選擇的IRL3803是IR公司推出的專門用于同步整流的MOS管，導(dǎo)通電阻只有6mΩ，能夠最大程度減小導(dǎo)通損耗和從而減小發(fā)熱。由式(5)～式(14)計(jì)算可得變壓器原邊、副邊、第三繞組的變比為170：3：255；輸出濾波電感為14．72μH；電容為9900μF。負(fù)載為單體鉛酸蓄電池。
實(shí)驗(yàn)主要技術(shù)條件如下：開關(guān)頻率為55kHz。正向工作時(shí)，輸入電壓Vi為400(15％)V，額定輸出電壓Vo為2V、輸出電流為20A；反向工作時(shí)，輸入電壓為2(110％)V。
經(jīng)測(cè)最，系統(tǒng)工作時(shí)穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度均可達(dá)到小于O．5％的設(shè)計(jì)要求；裝置最高效率為86．7％。主要實(shí)驗(yàn)波形如圖6～圖8所示；能量正／反向流動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的效率曲線如圖9所示。

圖6為給蓄電池充電時(shí)整流管、續(xù)流管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的實(shí)測(cè)波形。此時(shí)原邊主管波形與整流管完全同步。圖6中通道l為整流功率器件的驅(qū)動(dòng)波形，通道2為續(xù)流功率器件的驅(qū)動(dòng)波形。圖7為能量反向流動(dòng)時(shí)，整流功率器件、續(xù)流功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)測(cè)波形，此時(shí)原邊主功率器件不動(dòng)作。圖7中通道1為整流功率器件驅(qū)動(dòng)波形，通道2為續(xù)流功率器件驅(qū)動(dòng)波形。圖8為能量正向流動(dòng)時(shí)，DC/DC變換器輸出2V電壓的實(shí)驗(yàn)波形。從圖8中可看出，輸出穩(wěn)壓精度高，電壓紋波很小。

4 結(jié)語
本文提出了一種基于微控制器LPC2119的全數(shù)字雙向DC/DC變換器。其主要特性有：
(1)采用全數(shù)字控制，硬件設(shè)計(jì)簡潔、可靠性高；
(2)應(yīng)用同步整流有效降低通態(tài)損耗，系統(tǒng)效率高；
(3)輸出穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度高，系統(tǒng)控制性能好；
(4)系統(tǒng)成本低。
實(shí)驗(yàn)證明本變換器原理正確，工作安全可靠且具有良好的控制性能，可應(yīng)用于單體蓄電池充／放電等多種既要輸出低壓大電流又要控制能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合，具有廣闊的市場(chǎng)前景。