作者 牟健 何波贤 梅杰 丁少娜 91206部队(山东 青岛 266108)
牟健(1988-)，男，硕士，助理讲师，研讨方向：无线通信。
摘要：本规划中选用同步BUCK电路和同步BOOST电路级联而成的同步整流BUCK-BOOST电路拓扑，依据STM32F334高性能32位ARM Cortex-M4 MCU构建能量完成的双向活动，并能在同一方向完成升降压功用的数字电源。
0 导言
跟着不行再生资源的日益削减，人们对新式清洁动力的需求添加，促进了比方太阳能发电、风力发电、微电网职业的开展，在这些职业产品中需求能量的存储开释以及能量的双向活动，比方太阳能、风力宣布的电需求升压逆变之后才干接入电网，而关于电池或许超级电容的充放电需求体系可以具有升压和降压的功用，为了保证电能转化的安全性以及安稳性，因而急需规划一款改换器，不只能完成能量的双向活动，还能在同一方向完成升降压功用。
完成能量双向活动功用整流驱动电路拓扑有很多种，双向DC-DC改换器一般可以通过用MOS管替代经典拓扑电路中整流二极管得到新的拓扑，例如双向Cuk电路、Sepic电路、Zeta电路等，其间双向Cuk电路需求多个电感，输出负电压，输出的电流较小;而Sepic电路有非常复杂的操控环路特性，且功率低;Zeta电路是双Sepic电路，要求更高的输入电压纹波、大容量的飞跨电容。本体系规划选用同步BUCK电路和同步BOOST电路级联而成的同步整流BUCK-BOOST电路拓扑，并选用STM32F334高性能32位ARM Cortex-M4 MCU构建数字电源，其不只嵌入浮点单元(FPU),集成高分辨率的定时器(达217 ps)和两个超高速5 Msps(0.2 µs)12位模数转化器(ADC)，对电路的输出电压电流同步丈量，还构建实时的双闭环PID操控，实时盯梢输出电压，削减体系的安稳差错。
1 双向同步整流BUCK-BOOST改换器原理
双向同步整流BUCK-BOOST电路拓扑是由同步BUCK电路和同步BOOST电路级联而成，双向同步整流BUCK-BOOST电路在同一方向上完成了升降压功用。它的原理由经典BUCK电路和经典BOOST电路演化而来，在经典的BUCK电路、BOOST电路中因为整流二极管存在较大压降，在整流二极管上存在较大损耗;而双向同步整流BUCK-BOOST电路中运用MOS管替代电路中的整流二极管，因为MOS管注册时MOS管上的压降相对较低，可以明显进步电源的功率如图1所示。
双向同步整流BUCK-BOOST电路由同步BUCK电路和同步BOOST电路级联而成，依据BUCK电路电压增益公式：
其间DBU界说为BUCK电路的占空比，对应图1中MOS管Q1的占空比，DBO界说为BOOST电路的占空比，对应本规划中MOS管Q4的占空比。其间Q1和Q2是一对互补导通MOS管，Q3和Q4是一对互导通MOS管。双向同步整流BUCK-BOOST电路依据输入输出的电压联系将电路作业状况分为降压区、升压区和降压-升压区;当输出电压明显小于输入电压时，电路作业在降压区，此刻Q1和Q2互补导通，Q4常关Q3常通，电路等效于同步BUCK电路;实践运用中因为MOS管驱动选用自举升压的方法，Q4不能一向截止，不然当Q3的自举电容能量损耗完时，Q3将截止;为驱动Q3，Q4有必要导通一小段时刻为Q3的自举电容充电以驱动Q3。因而在实践操控中可将Q4的占空比固定设为0.5(即DBO可依据实践状况调整)，而Q1的占空比DBU可在0-0.95之间改动，如此电路将一向作业在降压区。当输出电压明显大于输入电压时，电路作业在升压区，等效于同步BOOST电路，和电路作业在降压区的状况相似，Q2不能一向截止，需求导通一小段时刻为Q1的自举电容充电，因而在实践操控中可将Q1的占空比DBU固定设置为0.95(可依据实践状况调整)，而Q4的占空比可在0-0.95之间改动，如此电路将一向作业在升压区。当输出电压和输入电压挨近时，电路作业在降压-升压区，即在一个周期内一段时刻按降压方法作业，一段时刻按升压方法作业。双向同步整流BUCK-BOOST电路MOS管开关状况主要有如图2所示三种状况。
当MOS管在A、B状况之间切换时，电路作业在降压形式;当MOS管在B、C状况之间切换时，电路作业在升压形式;当MOS管依照状况A-B-C-B-A的次序却换时，电路作业在降压-升压形式。如图8所示为电路作业在降压-升压形式时的驱动波形和电感电流波形。
在t0-t1阶段电路处于状况B，此刻Q1、Q3导通，Q2、Q4截止;
当Ui>U0 时，电感电流增大;
当Ui<u0 时，电感电流减小。
在t1-t2阶段电路处于状况C，此刻Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，电感电流增大。在t2-t3阶段电路处于状况B，在t3-t4阶段电路处于状况A，此刻Q2、Q3导通，Q1、Q4截止，电感电流减小。由BUCK-BOOST电压增益公式可知，不管电路是作业在降压形式、升压形式仍是降压-升压形式，本质上是操控降压占空比DBU和升压占空比DBO。
2 体系计划
体系计划结构框图如图4所示，同步整流BUCK-BOOST数字电源由BUCK-BOOST主电路、辅佐电源、驱动电路、信号调度电路、STM32F334主控电路以及OLED驱动电路构成。其间STM32F334作为主控芯片，运用F334的HRPWM模块发生所需PWM，通过UCC27211驱动器驱动MOS管;通过信号调度电路和ADC模块收集输入电压、输出电压、输出电流等信号，并运用收集的信号进行运算操控，以到达恒压恒流输出的意图。辅佐电源选用XL7005A、AMS1117-3.0别离改换发生12 V、3.3 V两路电源，并为MOS驱动电路、信号调度电路、OLED驱动电路、主控芯片供电;OLED显现体系的作业状况、输出电压、输出电流等信息。
2.1 BUCK-BOOST主电路规划
如图2所示为BUCK-BOOST主电路图， BUCK形式需求电感巨细：
因为贴片陶瓷电容的ESR较小，单个贴片陶瓷电容ESR大约10 m ,采样多个贴片陶瓷电容并联ESR就变小了，可以忽落不计，只核算电容充电引起的电容纹波。
所需电容容值：
(7)
输入输出电容要大于5.2μF;本规划中选用8颗2.2 μF的陶瓷电容并联总容量17.6μF。MOS管选用英飞凌型号为BSC060N10NS3G，耐压达100 V，最大可继续通过90 A电流，最小导通电阻6 m ;而本规划中最高电压为48 V远低于MOS管耐压;最大峰值电流为10 A远低于MOS管最大继续电流。
2.2 驱动电路规划
如图5所示，MOS管驱动器选用TI具有独立的高侧和低侧驱动的半桥驱动芯片UCC27211，该芯片内部集成自举二极管，外部需求衔接自举电容，选用自举升压的方法驱动高侧MOS管;自举电容选取0.47 μF,芯片驱动电流峰值高达4 A，最大引导电压直流120 V;在PWM信号输入引脚加10 kΩ的下拉电阻，避免PWM信号输入开路或高阻时MOS误动作;MOS管驱动电阻选用2 Ω，芯片内部不带有死区功用，为避免上下桥臂通时导通，需求在软件上完成死区功用。
2.3 辅佐电源规划
如图6所示，辅佐电源通过二极管阻隔从BUCK-BOOST电路的输入端和输出端取电，通过XL7005A改换发生直流12 V，在通过AMS1117-3.3改换发生3.3 V、A3.3 V两路电源;直流12 V为驱动芯片供电以驱动MOS作业;直流3.3 V、A3.3 V为STM32F334和运放供电。
2.4 信号调度电路规划
①输入输出电压检测
输入输出电压通过运放TLV2374选用差分电路将输出电压按份额缩小至ADC可以采样的规模，再运用ADC采样，软件解算出输出电压。输入电压采样是通过F334内部运放按份额缩小再送到ADC进行采样的，详细电路如图7所示。输出电压检测电路如图8所示。
②输出电流检测
输出电流检测电路通过运放TLV2374采样差分扩大电路完成;采样电阻放在低端，若采样电阻放在高端，会有较大的共模电压使采样电流不精确，采样电阻为10 m ，因为采样电阻较小，采样电阻上的压降较小，不利于直接采样，需求扩大后再采样;因为本规划中电流双向活动有正有负，MCU不能采样负电压，所以需求一个基准电压将扩大后的负电压抬升至正电压供MCU采样;基准电压用3.3 V通过1:1电阻分压发生1.65 V，经TLV2374组成的电压跟从器输出1.65 V供电路运用，如图9所示，输出电流检测电路如图8所示。
2.5 F334主控电路规划
依据STM32F334引脚称号及其特点如表1所示。
3 体系软件规划
本规划中选用电压操控形式，即通过采样输出电压与希望输出电压比较发生差错信号，将差错输入PID算法核算出所需占空比，通过改动占空比来到达稳压输出的意图。图10是软件流程图，在定时器3 的中止程序里进行PID运算和更新占空比，PID算法分为增量式和方位式。
4 定论
通过体系测验，输入电压规模：12～64 V，而输出电压规模：5～60 V，其间输出的电压安稳度为5%，输出纹波：50 mV RMS，输出额定电流5 A，最大输出电流6.5 A，功率达240 W，而且具有输入欠压、过压维护、输出过压、过流维护等维护功用，通过测验该规划满意车载电源、太阳能转化器、电池充放电体系DC/DC转化的要求。
参考文献：
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[4]TI公司供稿.数字电源[J].德州仪器电源办理,2015.
本文来源于《电子产品世界》2018年第9期第52页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
