基于DSPIC30F2020的双向DC/DC变换器的设计

汪丽燕，阮志煌，谢子鸣

（1.湖北科技学院，湖北 咸宁 437100；2.湖北省电力建设第二工程公司，湖北 武汉 430030）

基于DSPIC30F2020的双向DC/DC变换器的设计

汪丽燕1，阮志煌1，谢子鸣2

（1.湖北科技学院，湖北 咸宁 437100；2.湖北省电力建设第二工程公司，湖北 武汉 430030）

本系统以双向半桥（两象限）DC/DC电路为主电路，以DSPIC30F2020单片机为主控制器，实现了向DC/DC变换器的功能。控制器设定充放电模式，通过对输出电流和输出电压进行采样，利用闭环控制策略，结合PID控制算法使得充电模式下恒流输出，放电模式下恒压输出。实验表明，该设计具有高稳定性、高精度、高效率的特点和完备的保护功能。

双向DC/DC变换器；恒流充电；恒压输出；DSPIC30F2020

双向DC/DC变换器因其电路拓扑简单、能量转换效率高等优点，被广泛应用于电动汽车、不间断电源系统、太阳能发电系统、航空电源系统等领域。相对于传统的单向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器作为电力电子变换器发展中的分支，可实现能量的双向传输，在许多储能系统中起着重要的作用，引起了越来越多学者的关注。

针对传统的双向DC/DC变换器体积大、效率低、电路复杂和设计成本高等缺点，本设计采用DSPIC30F2020单片机为主控制器，以锂电池为实验对象，选用buck、boost开关电源结构设计了一种双向DC/DC变换器，经过实验表明了变换器具有高稳定性、高精度、高效率等优点。

1 系统硬件电路设计

（1）双向DC/DC变换器系统整体设计。系统整体框图如图1所示，系统整体包括电池组，辅助电源，测控电路，双向DC-DC变换电路和直流稳压模块等几个主要组成部分。控制器以DSPIC30F2020微控制器为核心。DSPIC30F2020是美国微芯公司生产的一种新型低价格高性能的16位数字信号控制器。该控制器自带16位分辨率的PWM驱动引脚、12位A/D转换器模块和多个外部中断源，并且具有抗干扰性强的特点。这些特性可以满足双向DC/DC变换器控制的精度和速度要求。本控制系统通过电压检测和电流检测将充电电流和放电电压实时反馈到PIC30F2020微控制器的A/D转换模块，系统对输出的PWM进行调整以适应系统控制精度要求。

图1 系统整体结构图

（2）辅助电源电路设计。本系统从直流稳压电源取电，控制系统需要一路12V的直流电压驱动上桥壁功率场效应管电路和3.3V的直流电压为微控制器供电，且需要一路单独隔离的12V直流电压驱动下桥臂功率场效应管。本设计采用耐高压的LM2596-12V进行从取电端（24～36V）到12V电压的转变，采用LM2596-5V进行从12V电压到5V电压的转变，LM2596是一种耐高压的降压型开关电源芯片，能够输出3A的驱动电流，外围器件简单，自身功耗极低，简化了电路的设计。本设计采用隔离升压模块B0512LS产生一路隔离的12V直流电源，B0512LS是一种高效率、低功耗的DC/DC隔离电源模块，可将5V直流电压转换成隔离的12V直流电压，并且可输出100mA左右的电流，满足驱动功率场效应管的需求。由于以微控制器为主的电路功耗较小，所以采用线性稳压电源芯片AMS1117-3.3V将5V直流电源转换成3.3V直流电源。辅助电源电路如图2所示。

图2 辅助电源电路

（3）主拓扑结构电路设计。为满足电压双向变换的要求，主电路拓扑应包括Buck降压拓扑电路和Boost升压拓扑基本电路，并且可通过微控制器来控制切换拓扑类型。主拓扑结构电路设计如图3所示

图3 主拓扑结构电路

当电路工作在充电模式下，单片机对上面的开关管进行通断控制，使电路工作于BUCK降压状态，外接直流稳压电源对电池组充电；当电路工作在放电模式下，单片机对下面的开关管进行通断控制，使电路工作于BOOST升压状态，电池组对外接电阻负载供电。该电路运用两个带驱动能力的光耦分别驱动上下两个功率开关管，将微控制器与主拓扑结构电路隔离，对控制器具有保护作用。

（4）系统控制电路设计。本次设计以Microchip公司推出的DSPIC30F2020单片机作为主控芯片,该单片机具有较强的数据计算能力和数据吞吐能力。由于它具有的DSP运算功能，同时具有单片机的体积小和价格低廉的特点，且该单片机系统内置晶振，外围电路少，运行起来快速稳定。本设计通过外接键盘和OLED显示电路来实现充放电工作模式的切换和输入输出电压电流的显示，通过采样电路对输入输出电压电流进行采样，并通过单片机的A/D转换功能运用闭环控制策略实现恒流充电和稳压放电。系统控制电路如图4所示。

图4 系统控制电路

2 系统软件设计

本系统的控制部分是由软件实现的，软件主要完成的功能是通过按键设定充放电模式。在充电模式下恒流输出，电流在1～2A范围内步进可调，并且在电压超过阈值时过充保护；在放电模式下实现恒流输出等。

（1）软件控制思想。为了保证双向DC/DC变换器的稳定工作，需要对该系统实行反馈控制。本系统在充电模式下采用电流负反馈控制方式，在放电模式下采用电压负反馈控制方式。控制方案如图5所示，在充电模式下采样充电电流，在放电模式下采样放电电压。

图5 双向DC/DC变换器控制框图

（2）程序控制流程。程序要完成对多个方面的控制，最核心的是对功率场效应管的控制，即控制驱动上下两个功率场效应管的波形。DSPIC30F2020微控制器内部带有PWM发生电路，控制时只需给定PWM的占空比即可。控制哪个开关管导通，取决于按键设定的充放电模式。微控制器通过采样电压和电流，结合PID算法，进行数字PID控制，经微处理器计算的出PWM的占空比值,并且为了减少干扰，软件采用同步采样的方法，即在PWM上升沿后2微秒，再去采样，这样就可以避免采样到毛刺，进行错误的判断，导致输出电压电流不稳。

控制系统在控制的过程中，还要对锂电池组的放电电压和充电电流进行检测，检测到故障时，切断功率场效应管以达到保护锂电池组和电路的目的完备控制流程图如图6所示。

图6 系统程序流程图

3 系统测试与结论

为了验证双向DC/DC变换器的性能，在完成电路制作和软件调试后，记录了本系统的测试数据如表1所示，分别测试了恒流充电和恒压放电模式下的充电电流和放电电压以及两种模式下变换器的转换效率，并且测试了过充保护功能。

表1 系统性能测试

从表1的系统性能测试数据来看，本设计可以在充电模式下系统可以按照歩进可调的设定电流恒流充电，再放电模式下恒压输出。两种模式下变换器的转换效率均较高，且该系统具有过充保护的功能，实现了双向DC/DC变换器的基本性能指标。该数据证明了文章方法的可行性。

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Design of Bidirectional DC/DC Converter Based on DSPIC30F2020

WANG Li-yan1，RUAN Zhi-huang1，XIE Zi-ming2
（1.Hubei University of Science and Technology，Xianning，Hubei 437100，China；2.Hydro Electric Power System Engineering Company，Wuhan，Hubei 430030，China）

Thesystemwhichtakesbidirectionalhalfbridge（twoquadrants）DC/DCcircuitasmaincircuitandDSPIC30F2020 SCM as main controller realizes the features of bidirectional DC/DC converter.The controller is set to charge and discharge mode，output current and output voltage are sampled，using a closed-loop control strategy，combined with PID control algorithm，which makes constant current output through charging mode and constant voltage output through the discharge mode.The results of experiments show that the design has high stability，high accuracy，high efficiency and complete protection.

Bidirectional DC/DC converter;constant current charging；constant voltage output；DSPIC30F2020

TN712

A

2095-980X（2017）02-0060-02

2017-02-03

汪丽燕（1987-），女，湖北咸宁人，硕士，助教，主要研究方向：控制理论研究及应用。