摘要： 以FPGA和TM4C123G为控制核心，设计制作了双向DC—DC变换器。本系统主要包括Buck/Boost双向DC-DC变换电路、电压电流采样电路和辅助电源电路等，其中以Buck/Boost变换电路为核心，完成锂电池组的充、放电，采用闭环反馈系统，实时监测锂电池组的电压、电流,经过PID调节，控制输出PWM波,从而控制Buck/Boost变换电路。经测试，变换器可实现恒流充电，且充电电流在1~2A内可调，步进值可设定,电流控制精度，测量精度,变换器充电效率,放电效率，且系统具有过充保护功能，阈值电压，能自动转换工作模式并保持.经称量，双向DC—DC变换器、测控电路与辅助电源三部分总重量为368g。此外，系统可识别充电、放电两种模式，并实时显示充、放电的电流与电压，人机交互性良好。

关键词:BDC；锂电池；PWM;PID；过充保护 

1 方案论证

1.1 方案比较与选择

1.1.1 双向DC—DC主回路

    方案一:非隔离式Buck/Boost BDC 

    Buck变换器和Boost变换器的二极管换成双向开关后具有同样的结构,构成Buck/Boost BDC，图1为其拓扑结构。在Buck/Boost BDC中，由于和均可流通双向电流，因此电感L中的电流一直保持连续状态。当电感电流恒大于零时,能量由流向，是Boost变换器，锂电池放电；当电感电流恒小于零时,能量由流向，是Buck变换器，锂电池充电.

图1 非隔离式Buck/Boost BDC拓扑结构

方案二：隔离式Buck/Boost BDC

    非隔离式Buck/Boost BDC中插入高频变压器便构成隔离式Buck/Boost BDC。图2为其拓扑结构.其高频逆变/整流和高频整流/逆变单元可以由半桥、全桥、推挽等电路构成，方案较多，设计电路比较灵活。

图2 隔离式Buck/Boost BDC拓扑结构

    分析:方案二存在升压启动和开关管电压尖峰问题，电路结构较复杂,方案一控制方便,电路结构简单,故选择方案一。

1.1.2 PWM波控制方案

    方案一：TL494是一种固定频率脉宽调制器，集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器、误差放大器、5V参考基准电压源、功率晶体管，仅有两个外置振荡元件，内置可调整死区时间。通过控制信号与上的正锯齿波比较，来控制PWM波的占空比。实际电路中，可通过FPGA控制DAC的输出电压来作为TL494的外部控制信号，实现对TL494输出PWM波占空比的控制。

    方案二：由FPGA同时产生两路相位差为的PWM波，占空比和死区时间由FPGA设定，控制方法易于实现，且具有很高的灵活性。

    分析：方案一输出PWM波精度较高，但需DAC对其进行控制，增加了系统的体积，结构较复杂，方案二控制方便，电路结构简单,输出PWM波精度可满足要求，故选择方案二。

1。2 总体方案描述

    系统整体框图如图3所示，总体方案如下：系统以Buck/Boost双向DC—DC转换器为主体，实现锂电池的充电和放电。系统实时监测充电电压、电流及的值,可根据预置电流值对锂电池进行恒流充电、恒压放电，经PID算法调节，改变PWM波的占空比，将系统稳定在设定状态.此外，系统具有过充保护功能,识别两种模式并实时显示充、放电电流，人机交互界面良好。

图3 系统整体框图

2 理论分析与计算

2。1 主回路主要器件参数选择与计算

    本系统主回路为Buck/Boost双向DC—DC变换器，为保证系统的性能,重点为MOSFET的选取、电感、电容的设计。 

    MOSFET选择：为减小MOSFET的损耗、提高系统效率，拟选择导通电阻小、栅极电荷小的MOSFET，且，综合考虑，选择CSD19536,其关键指标为 , ， ，， ， ，完全满足本系统设计要求。

    电感设计：BDC电路中，选择任一工作模式进行电感设计均可，此次在Buck工作模式下进行电感设计。设计要求，,取.连续电流模式下电感值为：

                                        （1）

其中，。取,则。

取开关频率，，则由（1）得。

    输出滤波电容设计:取,，，实际取,同时还并联低ESR的小电容,降低等效阻抗，稳态特性好。

2.2 控制方法与参数计算

    本系统实时监测、与的值，用ADS1256对其值进行采集，MCU对采集数据进行处理，通过PID调节，输出具有一定占空比的PWM波对BDC主回路进行控制,使电路工作于设定正常状态,即达到对充电或放电过程的控制。

2。3 提高效率的方法

（1)选择栅极电容与导通电阻较小的开关管；减小开关管的栅极串联电阻,可改变控制脉冲的上升沿与下降沿时间、防止震荡,减小开关管的漏极的冲击电压；同时在开关管的栅极和源极之间并联较大阻值电阻，减小开关管断开时的静态电流。

(2)合理设计电感。考虑到题目对质量的要求，应尽量减小电感的体积，因此选择EETR型号磁芯,其骨架较小,且其骨架为圆柱形,可使得绕线更加紧凑而减少漏感，从而减少尖峰电压所引起的焦耳损耗；适当增加电感气隙来免因磁饱和所附加的铜损；采用多股细铜线代替单股粗线来绕制电感,从而降低铜损,减少邻近效应和趋肤效应。

（3)选择合适的PWM波频率。开关管的开关损耗会随着系统的工作频率的增高而增大，而输出电压纹波又随工作频率的减小而增大，兼顾纹波与开关损耗，故选择BDC电路的开关频率为20kHz。 

(4）选择低ESR的电容,减小其损耗。

3 电路与程序设计

3.1 双向DC—DC主回路设计与器件选择

    Buck/Boost BDC主回路选择IRS21867作为变换器的驱动芯片，IRS21867是有的高、低端输出的高压、高速功率MOSFET和IGBT驱动器,高端功率管的最大工作电压可达600V。其供电的电压低、驱动电流大，能够完全满足本系统设计要求。其电路图如图4所示.

    系统选用N沟道MOSFET CSD19536，其具有超低栅极驱动电荷和米勒电容，低热阻，可在功率转换中最大限度的降低损耗.

图4 Buck—Boost BDC主回路

3.2 电压、电流取样电路

    如附图1所示，直流电压、经电阻分压后经过射极跟随器输入至A/D转换器.其中射极跟随器用高精度的双运放OPA2211设计完成。

选用康铜丝作为电流的取样电阻，康铜丝阻值小，温度系数低，稳定性能好，其两端的电压经过INA118的放大输入至A/D转换电路.INA118是双向电流监控器，精度高、温漂小，其增益，系统中选用千分之一精度电阻，其阻值为,可保证增益的稳定，增益为51.

3.3 A/D采样电路

    如附图2所示，本系统选用的ADC为24位多通道、高精度的ADS1256,ADS1256可同时采集四路模拟信号，最大输入电压为5V，故其分辨力可达到,在实际电路中可达16位，分辨力可达，完全可以达到要求.

3。4 过充保护电路

    系统实时对锂电池两端电压进行采样,当检测到为24V时，切断PWM波的输出，达到保护电池的目的.

3.5 辅助电源设计

    系统中芯片正常工作下的供电电压有12V、5V、—5V、3。3V。如附图3所示，系统辅助电源由处进行供电，而范围为32~38V,故选用输入电压范围为的TPS54340首先将其降至12V，然后利用LM7805将12V降至5V，利用LM1117将其降至3.3V。-5V利用MAX7得到. 

3。6 控制程序设计

本系统采用TM4C123G与FPGA为控制核心，FPGA实现了对ADS1256的高速采样，实时监测充电电流、电池电压，以及DC—DC转换器输入端电压并通过LCD显示。系统为一个数字反馈系统，采用PID算法，完成恒流充电和恒压放电等功能，且当充电电压超过阈值为24V时，关闭PWM波,实现过充保护.程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

4 测试方案与测试结果

4.1 测试仪器

    直流稳压稳流电源,型号 SG1733SB3A

万用表(6位半），型号 Agilent 34401A

    万用表（4位半）3个，型号 FLUKE 45

4。2 测试条件与测试结果

（1） 充电电流控制精度测试：在条件下，以步进0.1V在1~2V范围内设置充电电流值，测量实际的电流值，并将结果记录于表1中。电流控制精度，其中，为实际电流,为设定值.

表1 电流控制精度测试(）

(2） 充电电流的变化率测试：设定,使在范围内变化，测量的值，并记录于表2。电流变化率，其中，为时的充电电流值，为时的充电电流值，为时的充电电流值。

表2 充电电流的变化率测试（）

(3） 充电模式下变换器效率测试:设定在，，测量、、、的值，并计算效率。变换器效率，其中，。

表3 充电模式下变换器效率测试

（4) 充电电流测量精度测试：在范围内，设定充电电流值，记录其显示值，测量实际电流值，将结果记录于表4.电流测量精度，其中为充电电流显示值，为充电电流实际测量值。

表4 充电电流测量精度测试

（5) 过充保护功能测试：设定，在A、B点之间串入滑线变阻器，使增加，记录充电电流为0时的值，并将结果记录于表5中。

表5 过充保护功能测试（）

(6) 放电模式变换器效率测试：在放电模式下，保持，测量、、、的值，并计算效率，将结果记录于表6。变换器效率,其中，。

表6 放电模式变换器效率测试

（7） 自动转换工作模式测试：接通、，断开，调整直流稳压电源输出电压，使在范围内变化,并测量的值，记录于表7。

表7自动转换工作模式测试

(8） 将双向DC-DC变换器、测控电路与辅助电源三部分置于电子秤，测得其总重量为362g，小于500g，满足题目要求。

4.3 测试结果分析

    通过对测试数据分析,本系统完成了题目基本要求和发挥要求的全部内容，变换器可实现恒流充电,充电电流在1~2A内可调，步进值可通过按键设定为0。1A、0.05A、0.001A三档，电流控制精度,测量精度，变换器充电效率，放电效率,且系统具有过充保护功能，阈值电压，变化时变换器能自动转换工作模式并保持.经称量，双向DC—DC变换器、测控电路与辅助电源三部分总重量为362g。此外，系统可识别充电和放电两种模式，并在LCD显示屏中给出提示，显示充电、放电的电流与电压，人机交互性良好。

5 总结

    本系统完成了题目的功能与指标要求，具有一定的稳定与安全性。本系统中MOSFET的选取与电感、电容的设计都是十分重要的，与系统的效率、稳定性等密切相关，并且选择高精度的ADC以保证采样精度。在对充、放电电流采样时，选用双向电流监控器INA118，而ADS1256的输入电压必须为正值,因此必须对INA118接入参考电压,且INA118输出电压与该参考电压以差分方式接至ADS1256。

由于时间紧张，系统仍存在很多问题,仍可进一步改善，例如,可在现有条件下合理设计电感，选择更加合适的磁心,减小电感的体积和质量，从而减小系统的质量.此外，系统充放电的效率还可进一步提高,通过电感、电容和MOSFET的选择，合理的电路布局等可提高系统效率。

6 参考文献

［1] Sanjaya Maniktala。Switching Power Supplies A to Z[M]。北京。人民邮电出版社.2008。10.

［2] 黄根春，周立青，张望先。全国大学生电子设计竞赛教，程[M］。北京.电子工业出版社。2011.09。

［3] Colonel WM。T。 Mclyman著。龚绍文译. 变压器与电感设计手册[M].北京。中国电力出版社.2008.

［4］ 张方华.双向DC-DC变换器的研究［D］.南京：南京航空航天大学。2004。06。

[5] 黄军,杨世彦，杨威.零电流Buck/Boost双向DC/DC变换器的研究[J］。电力电子技术。2010.7，44（7）。

附录：

1 电压、电流取样电路

附图1 电压、电流取样电路

2 A/D采样电路

附图2 A/D采样电路

3 辅助电源电路

附图3 辅助电源电路

4 系统实物图

附图4 系统实物图下载本文