基于單片機(jī)的雙向DC-DC充放電電路設(shè)計(jì)

簡 繁，李澤滔

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽550025）

0 引 言

隨著環(huán)境和資源帶來的問題越來越多，各國相關(guān)領(lǐng)域的研究人員都在極力尋找一些清潔能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能源，緩解能源危機(jī)和環(huán)境壓力。中國更是注重生態(tài)文明建設(shè)，將綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展寫入了國家的方針政策，中國的現(xiàn)代化建設(shè)是離不開新能源的開發(fā)利用的。新能源綠色環(huán)保，來源豐富，屬于可再生能源，極大地緩解環(huán)境污染日益嚴(yán)重和資源不足的難題。但是由于新能源的分布不均勻且受到地理環(huán)境和氣候條件的限制，對(duì)儲(chǔ)能的需求極大。如今常見的儲(chǔ)能器件主要有蓄電池，超級(jí)電容器和超導(dǎo)線圈［1］。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用對(duì)雙向DC-DC變換器提出了新的挑戰(zhàn)，雙向DC-DC變換器貫穿儲(chǔ)能過程的始終，具有很大的應(yīng)用前景，受到了廣泛關(guān)注。雙向DC-DC變換器雖然理論技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但在效率、經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)際應(yīng)用的研究上還有待完善［2］。

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用了雙向Buck／Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在單片機(jī)STM32F103C8T6的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容的充放電。首先，基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的硬件電路方案，主要有主電路、控制電路，驅(qū)動(dòng)電路和輔助電源電路；其次，軟件流程圖的設(shè)計(jì)；最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，檢驗(yàn)該充放電系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能和滿足系統(tǒng)的性能參數(shù)要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主要是搭建一個(gè)雙向DC-DC充放電電路，利用該電路來對(duì)超級(jí)電容恒流充電和恒壓放電。雙向DC-DC充放電電路在充電時(shí)處于降壓模式，在放電時(shí)處于升壓模式，充放電模式的轉(zhuǎn)換，需要用到按鍵電路模塊來實(shí)現(xiàn)。要控制恒流充電和恒壓放電，需要對(duì)電流和電壓進(jìn)行采集，因而需要電流和電壓采樣電路模塊。觀察充電電流、超級(jí)電容端電壓和負(fù)載電壓等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要用到顯示器電路模塊。雙向DC-DC充放電電路中的MOS管需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)才能導(dǎo)通，所以系統(tǒng)中還應(yīng)包括驅(qū)動(dòng)電路模塊。若超級(jí)電容過充，可能會(huì)損壞，因此電路中還應(yīng)有防過充保護(hù)模塊。系統(tǒng)中芯片都需要供電才能工作，且每個(gè)芯片的供電電壓不同，系統(tǒng)應(yīng)有輔助電源模塊，對(duì)不同芯片供電。綜上所述，本次設(shè)計(jì)的雙向DC-DC充放電電路系統(tǒng)中包括主電路雙向DC-DC變換器模塊，控制器模塊，驅(qū)動(dòng)模塊和輔助電源模塊，該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design of the system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì)

非隔離型雙向Buck／Boost變換器的轉(zhuǎn)換效率高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)和控制電路易設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)的成本低、輸入和輸出端有電感，電流的紋波不是太大、適用于小功率、無需電氣隔離的場合，符合本次設(shè)計(jì)的要求［3］。因此，本次設(shè)計(jì)的主電路采用非隔離型雙向Buck／Boost變換器，如圖2所示。

圖2 主電路圖Fig.2 Overall design of the system

2.2 控制器設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6單片機(jī)上集成了很多模塊，例如時(shí)鐘模塊、復(fù)位電路和電源管理電路等等，使用方便。該單片機(jī)支持串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口調(diào)試，調(diào)試方便，性能優(yōu)勢(shì)明顯，價(jià)格便宜，選用該單片機(jī)能完成本次設(shè)計(jì)需求。控制電路圖如圖3所示。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

選用美國IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片構(gòu)成的電路作為驅(qū)動(dòng)電路。IR2110具有光電隔離體積小和電磁隔離響應(yīng)速度快的性能優(yōu)點(diǎn)，適用于中小功率場合。該芯片還具有10～20 V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，能夠驅(qū)動(dòng)IRF3205，使其正常工作。將單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波輸入到該芯片，可產(chǎn)生兩路反相互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別是高端MOS驅(qū)動(dòng)H驅(qū)動(dòng)和低端MOS驅(qū)動(dòng)L驅(qū)動(dòng)，高端驅(qū)動(dòng)可以通過自舉電容驅(qū)動(dòng)源極不在地端的MOS管，該驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2.4 采樣電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電阻采樣的方式操作簡單，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量的精度高，本次設(shè)計(jì)采用了檢測(cè)電阻采樣的方式對(duì)電流進(jìn)行采樣。利用檢測(cè)電阻采樣的方式采樣電流，直接在超級(jí)電容和電感之間的電流輸入端串聯(lián)一個(gè)阻值約為50 mΩ的采樣電阻，將采樣得到的電流信號(hào)經(jīng)過LM358集成運(yùn)放放大，最終變成電壓信號(hào)；將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，得到的輸出電壓與充電電流成正比，即可求得超級(jí)電容的充電電流。該采樣電路原理圖如圖5所示。

圖3 控制電路Fig.3 Control circuit

圖4 驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Drive circuit

圖5 電流采樣電路Fig.5 Current sampling circuit

在小功率場合中的電壓采樣通常采用電阻分壓的方式，利用兩個(gè)確定比例的電阻，將所測(cè)電壓分為兩部分，其中將分得的小電壓送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，最終可求得所測(cè)電壓。這種采樣方式電路簡單，采樣算法簡單，但是分壓電阻將會(huì)帶來一定的損耗。就本次的設(shè)計(jì)而言，由于電壓不是太大，分壓電阻上的電流為mA級(jí)別，相應(yīng)損耗的功率為mW級(jí)別，所以本次設(shè)計(jì)采用該方式來采集電壓時(shí)，其損耗可以忽略不計(jì)。

2.5 防過充保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，如果不加干預(yù)讓超級(jí)電容一直處于充電狀態(tài)下，很有可能會(huì)毀壞超級(jí)電容和充電電路，因此，設(shè)計(jì)中必須考慮超級(jí)電容過充的保護(hù)，本次設(shè)計(jì)通過分壓電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容兩端的電壓，當(dāng)檢測(cè)到超級(jí)電容兩端的電壓為極限值時(shí)，切斷PWM控制信號(hào)，停止超級(jí)電容的充電。

2.6 顯示電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用IIC通信的OLED12864顯示屏，其接口電路和操作指令簡單，單片機(jī)只需通過兩條數(shù)據(jù)總線（SCL和SDA）就能控制OLED工作，其外圍接口電路如圖6所示。

圖6 OLED外圍接口電路Fig.6 OLED peripheral interface circuit

2.7 按鍵輸入電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)可以通過按鍵來對(duì)充放電模式進(jìn)行切換，按鍵的外圍接口電路簡單，只需要在控制器和按鍵之間接上一組上拉電阻。采用按鍵，操作簡單，便于調(diào)試。按鍵模塊的外圍接口電路如圖7所示。

圖7 按鍵外圍接口電路Fig.7 Keypad peripheral interface circuit

2.8 輔助電源電路設(shè)計(jì)

為了使充電電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作，需要兩個(gè)供電電源，分別為12 V電源適配器和7805穩(wěn)壓芯片。12 V適配器的電壓直接給IR2110驅(qū)動(dòng)芯片和LM358集成運(yùn)放芯片供電，再通過由7805構(gòu)成的穩(wěn)壓模塊降壓到5 V，給單片機(jī)供電。輔助電源模塊的電路圖如圖8所示。

圖8 輔助電源電路Fig.8 Auxiliary power supply circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思想

軟件部分主要的任務(wù)是完成超級(jí)電容的恒流充電和恒壓放電的控制、充放電的快速切換、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的充電電流和放電電壓等值，本設(shè)計(jì)采用的電力電子開關(guān)器件的控制方式是脈沖寬度調(diào)制，即改變占空比的控制方式。軟件部分包括PWM產(chǎn)生模塊、ADC電流電壓檢測(cè)模塊、按鍵模塊、OLED顯示模塊。

本次設(shè)計(jì)的程序有主函數(shù)和子函數(shù)，其中，主函數(shù)通過按鍵來選擇主電路的工作方式，即充電模式和放電模式，子函數(shù)包括充電模式程序、放電模式程序和定時(shí)器中斷服務(wù)程序等。

3.2 主函數(shù)設(shè)計(jì)

主函數(shù)主要的功能是通過外部按鍵來對(duì)主電路充電模式和放電模式的選擇。主函數(shù)的程序流程圖如圖9所示，單片機(jī)上電進(jìn)行初始化，通過外部按鍵檢測(cè)，若檢測(cè)到是模式一，則進(jìn)入放電模式，否則檢測(cè)是否為模式二，若是，則進(jìn)入充電模式。

圖9 主函數(shù)程序流程圖Fig.9 Flowchart of main function program

3.3 子函數(shù)程序設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)模／數(shù)轉(zhuǎn)換功能讀取實(shí)時(shí)的充電電流，將該電流與預(yù)設(shè)的充電電流作差，通過電流反饋調(diào)節(jié)，改變MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)充電電流，對(duì)電流進(jìn)行多次采樣，最后用平均法濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流充電的控制。

當(dāng)充電電流達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，再通過判斷檢測(cè)到的輸出電壓是否達(dá)到超級(jí)電容組的最大耐壓值，若達(dá)到最大耐壓值，則單片機(jī)切斷PWM信號(hào)，停止充電；否則，將繼續(xù)充電，實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)，充電模式的程序流程圖如圖10（a）所示。

放電模式下，將并聯(lián)電阻檢測(cè)到的負(fù)載電壓送入單片機(jī)運(yùn)算，然后與預(yù)設(shè)的放電電壓相比較，再通過電壓反饋調(diào)節(jié)，改變MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，若電壓沒穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，則繼續(xù)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定為預(yù)設(shè)值，放電模式的程序流程圖如圖10（b）所示。

4 調(diào)試及結(jié)果分析

4.1 測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)的軟硬件分析完成以后，根據(jù)硬件部分的設(shè)計(jì)搭建系統(tǒng)的實(shí)物，然后利用前面的軟件設(shè)計(jì)來進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)試結(jié)果，可以分析本次設(shè)計(jì)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，是否滿足各方面的性能參數(shù)的要求以及充放電效率能達(dá)到多少，系統(tǒng)測(cè)試是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，測(cè)試系統(tǒng)如圖11所示。

圖10 子函數(shù)程序流程圖Fig.10 Flowchart of sub function program

圖11 測(cè)試系統(tǒng)Fig.11 Testing system

4.2 結(jié)果分析

本次設(shè)計(jì)中電力電子開關(guān)器件采用PWM控制方式，充放電模式過程中的MOS管的PWM波分別如圖12和圖13所示。

充電模式和放電模式的兩只開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖都是兩路反相互補(bǔ)的PWM波。其中，示波器通道1是MOS管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通道2是MOS管Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，充放電模式下驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比不同，充放電過程中兩只開關(guān)管交替導(dǎo)通，但是總有一只開關(guān)管作為主導(dǎo)通管，從兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比可知，充電時(shí)，Q1作為主導(dǎo)通管，放電時(shí)，Q2作為主導(dǎo)通管，該兩路反相互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的測(cè)試結(jié)果與理論分析中的結(jié)果相符。

圖12 充電模式下的兩路反相互補(bǔ)的波形Fig.12 Two reverse phase complementary waveforms in charging mode

圖13 放電模式下的兩路反相互補(bǔ)的波形Fig.13 Two reverse phase complementary waveforms in discharge mode

本次設(shè)計(jì)的雙向DC-DC充放電電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)超級(jí)電容恒流充電和恒壓放電，其中，充電電流和放電電壓的大小分別為5 A和48 V。

充電過程中輸出的功率不斷的變化，所以輸入功率也在變化，因此，只能求出超級(jí)電容的能量，無法得到輸入的能量，故不能直接求該充電系統(tǒng)的效率，將超級(jí)電容端換成電阻負(fù)載，經(jīng)測(cè)試，該充電系統(tǒng)的效率達(dá)到90%以上。

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)在單片機(jī)STM32F103C8T6的控制下，設(shè)計(jì)了一個(gè)充放電系統(tǒng)，不僅使超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)了恒流充電和恒壓放電，而且能夠?qū)崿F(xiàn)充放電模式的切換和過充保護(hù)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。