雙向 DC － DC 變換器（ Bidirectional DC － DC Converter—BDC）是一個 DC － DC 變換器的雙象限運行，是在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據應用需要改變電流方向，實現能量雙向流動的 DC － DC 變換器。它的輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。圖 1 為 BDC 的二端口示意圖，雙向 DC － DC 變換器置于 V1 和 V2 之間，控制其間的能量傳輸。從各種基本的變換拓撲來看，可將其看做兩個單向 DC － DC 變換器反向并聯連接，通過改變兩個單元的工作狀態調節能量的雙向流動，因此雙向 DC － DC 變換器在功能上相當于兩個單向 DC － DC變換器。

　　雙向DC_DC 變換器的原理

　　雙向DC_DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據需要調節能里雙向傳輸的直流到直流變換器，如圖1所示： 雙向DC_DC變換器置于V1和V2 之間，控制其間的能里傳輸，I1和2分別是V1和V2的平均輸入電流。根據實際應用的需要，可以通過雙向DC_DC變換器的變換控制，使能里從V1傳輸到V2，稱為正向工作模式（Forwardmode），此時I1為負，而I2為正; 或使能里從V2傳輸到V1，稱為反向工作模式（Backwardmode），此時I1為正，而2 為負。

　　由于電力電子技術的不斷發展，使得雙向 DC － DC 變換器的應用日益廣泛。尤其是靜態開關技術的出現，使雙向 DC － DC 變換器不斷朝著高效化、小型化高性能化的方向發展。雙向 DC －DC 變換器作為典型的“一機兩用”設備，在需要能量雙向流動的應用場合，可以大幅度降低系統的體積、重量及成本，具有高效率、動態性能好等優勢，具有重要的研究價值。我們以實際參賽為經驗，研究并設計了基于 STC12C5A60S2 單片機的雙 DC － DC 變換電路。

　　系統方案論證

　　雙向 DC － DC 模塊的論證與選擇

　　雙向 DC － DC 變換有隔離和非隔離兩種。非隔離型的電路比較簡單，容易實現，且能滿足低壓、大電流場合應用，但是其電壓轉換比較低; 相反，隔離型的變換器可以實現較大大的電壓轉換比，且相較于非隔離性安全性高，可應用于不同功率場合，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等易造成效率的降低。本題沒有要求輸入輸出隔離，且結合兩者的優缺點，所以選擇非隔離方式。具體有以下幾種方案：

　　（ 1） 方案一： 雙向 Cuk 型拓撲結構變換器

　　Cuk 型雙向 DC － DC 變換器電路如圖 2 所示，該電路需要兩個電感將能量經過三次傳遞到負載，因此對電容傳輸能量的性能要求高，不適用于大功率場合應用，且效率比較低，電路較為復雜，實際電路應用很少。

　　（ 2） 方案二： 半橋型雙向變換器

　　把非隔離的半橋型單向 DC － DC 變換的功率二極管變為雙向開關后即構成非隔離的半橋型雙向 DC － DC 變換器，其電路如圖3 所示，這種雙向 DC － DC 變流器結構簡單，成本低，容易實現單端恒流，開關管的電壓、電流應力小，適合于中小功率的應用場合。鑒于上面分析，選用方案二。

　　電流恒定控制模塊的論證與選擇

　　（ 1） 方案一： 實時檢測 + 控制器實現

　　通過電路和控制器對輸出電流進行實時檢測，得到實時電流值。如果實時電流值大于（ 或小于） 設定電流值，控制器控制 DC－ DC 使輸出電壓減小（ 或增大） ，直至實時電流值等于設定電流值，由此可將電流控制在設定電流值附近。此方案控制電路簡單，但是對控制器的運算量和運算精確度提出了較高要求，而且存在控制延時，效果并不理想。

　　（ 2） 方案二： 采用 CMOS 場效應管 + 控制器實現

　　控制器 控 制 雙 向 DC － DC 的 輸 出 電 壓，使 其 逐 步 達 到 由CMOS 場效應管構成的壓控恒流源的臨界值。電路原理圖如圖 4所示。此方案效率最高，但是若場效應管經常工作于臨界值，會使輸出電流動態波動很大。

　　3） 方案三： 采用 CMOS 場效應管 + 硬件電路實現

　　采用 CMOS 場效應管構成壓控恒流源，硬件電路直接反饋，電路原理如圖 5 所示。此方案使控制器不再參與電流控制，因此極大減少了控制器的運算量，提高了電路的可靠性。鑒于上面分析，選用方案三。

　　控制電路模塊的論證與選擇

　　（ 1） 方案一： 采用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機。可利用其外圍 ADC 以及 DAC 完成系統反饋功能。AT89S51 雖開發簡單，初學者容易上手，但 FLASH 存儲僅 4K 字節。

　　（ 2） 方案二： 采用 FPGA。FPGA 資源豐富，可實現靈活的編程控制。但是 FPGA 功耗較大，不適于開發低功耗電源。

　　（ 3） 方案三： 采 用 STC 公 司 的 STC12C5A60S2 單 片 機，是AT89S51 系列的增強版，處理速度增加 8 － 12 倍，其單片機內部就自帶高達 60K FLASH ＲOM，因此在性價比、功耗、難易程度等方面很有優勢。

　　鑒于上面分析，選用方案三。

　　理論分析與計算

　　充電電流 I1

　　充電電流 I1 由雙向 DC － DC 的實時輸出電流和最大輸出電流決定。比賽 要 求 充 電 時，輸出電流可調范圍是 1 ～ 2A，根 據TPS5430 數據手冊給出的計算公式：

　　系統設計實現系統框圖

　　如圖 6 所示，充電時，系統在輸入 24 ～ 36V 內變化，通過雙向DC － DC 變換器的降壓電路輸出到 18650 型鋰電池。放電時，電池通過雙向 DC － DC 變換器的升壓電路輸出到負載。單片機STC12C5A60S2 的鍵盤輸入設定值，使雙向 DC － DC 變換器輸出電壓，通過驅動場效應管和電路反饋實現對電流的恒定與步進控制。同時，還可以實現設定和實時電流電壓顯示與過壓保護功能。

　　主模塊電路

　　（ 1） 雙向 DC － DC 變換電路

　　如圖 7 和圖 8，雙向 DC － DC 變換模塊是利用 TPS5430 降壓芯片和 UC3842 升壓芯片構成。兩者之間通過可控硅構成的靜態開關完成充、放電工作模式的轉換。

　　（ 2） AD 和 DA 電路

　　本設計需要對輸入、輸出電流進行采集，結合低功耗，高精度等特點，采用 TLC2543 芯片，它是一款 12 位串行輸入，多路采集的模數轉換器。

　　電流的大小由 DA 控制。電流控制精度不低于 5% ，因此需要采用比較高精度的 DA，故選用 12 位串行的 TLV5618 芯片。

　　AD 采樣電路、DA 輸出電路分別如圖 9、圖 10 所示。

　　3） 過充保護模塊

　　該模塊采用軟件控制保護。充電時，輸出端接入分壓電阻，經AD 進行采集，單片機判斷控制。當雙向 DC － DC 電路輸出電壓超過閾值 24 ± 0． 5V 時，對 TPS5430 的 5 腳使能端低電平，芯片停止工作，輸出電流為 0，達到過充電保護目的。

　　參數分析與計算

　　根據輸入、輸出電壓確定場效應管驅動信號最大占空比，得

　　軟件設計

　　系統的控制程序部分由單片機 STC12C5A60S2 來完成，主要用來控制對電流的 設定和對電流誤差的校準，以及顯示功能。圖11 所示為單片機控制流程圖。

　　系統測試與數據分析

　　測試電路

　　采用外部電源給系統供電分別測量輸入電壓 U2，輸入電流I2，輸出電壓 U1，輸出電流 I1。測試電路如圖 12 所示。

　　測試過程

　　（ 1） 步進電流測試

　　測試方法： 調整直流電壓源輸出電壓為 30V，通過單片機的鍵盤進行每次 0． 1A 的步進，測量充電電流在 1 ～ 2A 范圍內的電流變化，并計算電流控制精度。

　　測試數據： 見表2。

　　測試結果： 根據表 2 所示數據，充電電流在 1 ～ 2A 范圍內步進可調，電流控制精度不低于 5% ，滿足基本要求。

　　（ 2） 電流變化率測試

　　測試方法： 通過單片機的鍵盤將充電電流穩定在 2A，調整直流電壓源輸出電壓，使其電壓從 24V 開始，調整到 36V，測量充電電流的變化，并計算充電電流變化率。

　　測試數據： 見表 3。

　　測試結果： 根據表 3 所示數據，當直流電壓源輸出電壓從 24V調整到 36V 過程中，電流變化較小，電流變化率 = 0． 50% ≤1% ，滿足基本要求。

　　（ 3） 效率測試

　　測試方法： 通過單片機的鍵盤將充電電流穩定在 2A，調整直流電壓源輸出電壓為 30V，測量輸入電流、充電電壓并計算效率。

　　測試數據：

　　測試結果： 根據表 4 所示數據，變換器的效率大于 90% ，滿足基本要求。

　　（ 4） 電流測量測試

　　測試方法： 根據用萬用表測量在 1 ～ 2A 范圍內的充電電流的值以及單片機經過采集處理并通過 12860 顯示的電流值，計算單片機測量電流精度。

　　測試數據： 見表 5。

　　測量結果： 根據表 5 所示數據，在 1 ～ 2A 內測量精度不低于2% ，滿足基本要求。

　　5） 過充保護功能測試

　　測試方法： 通過單片機的鍵盤將充電電流穩定在 2A，并逐步增大直流電壓源輸出電壓，使充電電壓超過 24 ± 0． 5V，觀察充電電流變化。

　　測試數據： 見表 6。

　　測量結果： 根據表 6 所示數據，充電電流在充電電壓超過 24 ±0．5V 后，立即趨近于零，滿足過沖保護功能要求。

　　（ 6） 發揮部分測試

　　①斷開 S1、接通 S2，利用靜態開關將裝置設定為放電模式，保持 U2 = 30 ± 0． 5V，經計算，此時變換器的平均效率約為 95． 57% ，大于等于 95% ，基本滿足要求。

　　②接通 S1、S2，斷開 S3，調整直流穩壓電源輸出電壓，使 Us 在32 ～ 38V 范圍內變化時，經測量，雙向 DC － DC 電路能夠自動轉換工作模式并保持 U2 在 29． 3 ～ 30． 4V，基本滿足要求;

　　③經精密電子稱測量，雙向 DC － DC 變換器、測控電路與輔助電源三部分的總重量約為 437． 6g，不大于 500g，滿足要求。

　　測試分析與總結

　　根據上述測試數據，由此可以得出以下結論：

　　（ 1） 該變換器輸出充電電流在一定范圍內步進可調，具有較高的電流控制精度;

　　（ 2） 該變換器能夠保持較高的電流穩定度和電流測量準確度;

　　（ 3） 在充電和放電模式下，該變換器工作效率高，并且可以自動轉換工作模式;

　　（ 4） 該變換器在具有過充電保護功能，安全性高，且重量輕，結構簡化。

　　綜上所述，本設計達到設計要求。