基于STC12C5A60S2的双向DC-DC变换器的系统设计

　　双向 DC － DC 变换器（ Bidirectional DC － DC Converter—BDC）是一个 DC － DC 变换器的双象限运行，是在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据应用需要改变电流方向，实现能量双向流动的 DC － DC 变换器。它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。图 1 为 BDC 的二端口示意图，双向 DC － DC 变换器置于 V1 和 V2 之间，控制其间的能量传输。从各种基本的变换拓扑来看，可将其看做两个单向 DC － DC 变换器反向并联连接，通过改变两个单元的工作状态调节能量的双向流动，因此双向 DC － DC 变换器在功能上相当于两个单向 DC － DC变换器。

　

　　双向DC_DC 变换器的原理

　　双向DC_DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能里双向传输的直流到直流变换器，如图1所示： 双向DC_DC变换器置于V1和V2 之间，控制其间的能里传输，I1和2分别是V1和V2的平均输入电流。根据实际应用的需要，可以通过双向DC_DC变换器的变换控制，使能里从V1传输到V2，称为正向工作模式（Forwardmode），此时I1为负，而I2为正; 或使能里从V2传输到V1，称为反向工作模式（Backwardmode），此时I1为正，而2 为负。

　　由于电力电子技术的不断发展，使得双向 DC － DC 变换器的应用日益广泛。尤其是静态开关技术的出现，使双向 DC － DC 变换器不断朝着高效化、小型化高性能化的方向发展。双向 DC －DC 变换器作为典型的“一机两用”设备，在需要能量双向流动的应用场合，可以大幅度降低系统的体积、重量及成本，具有高效率、动态性能好等优势，具有重要的研究价值。我们以实际参赛为经验，研究并设计了基于 STC12C5A60S2 单片机的双 DC － DC 变换电路。

　　系统方案论证

　　双向 DC － DC 模块的论证与选择

　　双向 DC － DC 变换有隔离和非隔离两种。非隔离型的电路比较简单，容易实现，且能满足低压、大电流场合应用，但是其电压转换比较低; 相反，隔离型的变换器可以实现较大大的电压转换比，且相较于非隔离性安全性高，可应用于不同功率场合，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等易造成效率的降低。本题没有要求输入输出隔离，且结合两者的优缺点，所以选择非隔离方式。具体有以下几种方案：

　　（ 1） 方案一： 双向 Cuk 型拓扑结构变换器

　　Cuk 型双向 DC － DC 变换器电路如图 2 所示，该电路需要两个电感将能量经过三次传递到负载，因此对电容传输能量的性能要求高，不适用于大功率场合应用，且效率比较低，电路较为复杂，实际电路应用很少。

　　（ 2） 方案二： 半桥型双向变换器

　　把非隔离的半桥型单向 DC － DC 变换的功率二极管变为双向开关后即构成非隔离的半桥型双向 DC － DC 变换器，其电路如图3 所示，这种双向 DC － DC 变流器结构简单，成本低，容易实现单端恒流，开关管的电压、电流应力小，适合于中小功率的应用场合。鉴于上面分析，选用方案二。

　　

　　电流恒定控制模块的论证与选择

　　（ 1） 方案一： 实时检测 + 控制器实现

　　通过电路和控制器对输出电流进行实时检测，得到实时电流值。如果实时电流值大于（ 或小于） 设定电流值，控制器控制 DC－ DC 使输出电压减小（ 或增大） ，直至实时电流值等于设定电流值，由此可将电流控制在设定电流值附近。此方案控制电路简单，但是对控制器的运算量和运算精确度提出了较高要求，而且存在控制延时，效果并不理想。

　　（ 2） 方案二： 采用 CMOS 场效应管 + 控制器实现

　　控制器 控 制 双 向 DC － DC 的 输 出 电 压，使 其 逐 步 达 到 由CMOS 场效应管构成的压控恒流源的临界值。电路原理图如图 4所示。此方案效率最高，但是若场效应管经常工作于临界值，会使输出电流动态波动很大。

　

　　3） 方案三： 采用 CMOS 场效应管 + 硬件电路实现

　　采用 CMOS 场效应管构成压控恒流源，硬件电路直接反馈，电路原理如图 5 所示。此方案使控制器不再参与电流控制，因此极大减少了控制器的运算量，提高了电路的可靠性。鉴于上面分析，选用方案三。

　　控制电路模块的论证与选择

　　（ 1） 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89S51 单片机。可利用其外围 ADC 以及 DAC 完成系统反馈功能。AT89S51 虽开发简单，初学者容易上手，但 FLASH 存储仅 4K 字节。

　　（ 2） 方案二： 采用 FPGA。FPGA 资源丰富，可实现灵活的编程控制。但是 FPGA 功耗较大，不适于开发低功耗电源。

　　（ 3） 方案三： 采 用 STC 公 司 的 STC12C5A60S2 单 片 机，是AT89S51 系列的增强版，处理速度增加 8 － 12 倍，其单片机内部就自带高达 60K FLASH ＲOM，因此在性价比、功耗、难易程度等方面很有优势。

　　鉴于上面分析，选用方案三。