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【infineon DIY】双向降压DC-DC变换器

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TinyP
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LV3
助理工程师
  • 2016-11-21 11:05:55
    首先感谢英飞凌举办丰富的活动,免费提供样片等资源,为爱好者们创造好的条件、提供技术交流平台。我做的是基于BUCK的双向DC/DC,下面是项目的详情:
简介:
     双向降压DC-DC变换器基于微控制器的方式实现了一种非隔离式双向直流/直流转换器。采用同步BUCK以降压模式36V~64V输入电压向24V电池充电,而同步BOOST则以升压模式控制从低压电池到高压反向能流,实现一种能量双向流动的DC/DC。
参数:
     功率:在两个方向均可提供 120W 额定输出
     直流输入:36-64V
     直流输出:20-27V(额定电压 24V)
     降压和升压模式之间无缝即时转换
     高效率设计,支持的最大效率超过 95%
     200 KHz 快速开关频率支持更小的无源组件 
关键器件:
      MCU:STM32F334C8
      MOS:BSC060N10NS3G    英飞凌,100V,90A,N沟道功率MOSFET
      门极驱动:UCC27211
      运放:TLV2374
     特别说明:不得不说,英飞凌在功率半导体的成就,不断的推出高性能的功率器件,比如说本次项目(双向降压DC-DC变换器)选用的BSC060N10NS3G。BSC060N10NS3G是英飞凌OptiMOS系列的低功率MOS管,采用了SSO8封装,通态电阻值只有6mΩ,VDS高达100V,非常适用于48V系统同步整流、太阳能发电、服务器等应用,具体的参数如下表。






1. 方案概述 1.1. 概述 数字电源并不是简单的指在系统中应用了数字器件,如单片机及DSP等,而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成,随着电力电子的发展,电源越来越趋向数字化与智能化发展。本设计采用STM32F334作为控制器的同步降压变换器的数字电源,可以实现降压控制,也可以实现升压控制,能量双向流动。数字控制不只能让电源更简单,还可以让电源实现四遥功能。四遥:遥测、遥信、遥控及遥调。
本设计将介绍同步降压的数字控制方案硬件和软件的设计说明,并附相关电路原理图及参考代码。
1.2. 系统主要结构 如图-1所示,BUCK同步降压系统由辅助电路、控制电路、驱动电路、BUCK电路、信号调理电路构成。具体硬件的介绍及说明见第2章节内容。

图-1  双向降压DC-DC变换器方案结构图

本设计应用了STM32F334的PWM模块发出对称的PWM波驱动BUCK电路;通过ADC模块采集直流母线电压,输出电压、输出电流及远端测量,特别说明的是远端测量,认为在电池充放电应用是有效的,因为其可以解决电缆电线的压降问题;预留一个串口通信接口,可以实现与上位机,操作面板等设备通信。
1.3. 主要功能和指标 l 输入电压:10~64V,输出电压:5~60V;
l 最大电流:5A;
l 最大功率:240w;
l 高效率设计,支持的最大效率超过95%;
l 250 KHz开关频率支持更小的无源组件,从而减小电路板面积并延长寿命;
l 三个满足各种应用场合的控制模式:1) 输出电压控制 2) MPPT 控制(输入电流控制)3) 反向电压控制。
l 保护机制:过压保护,欠压保护,过流保护。
1.4. 应用对象 适合于太阳能微转换器、数字电源和电池充放电、直流UPS应用
2. 方案硬件设计 
2.1. 功率电路
如图-2所示,同步BUCK由经典的BUCK变换而来,具体是使用mos替换二极管实现。输入端与输出端都采用LC滤波,使得输入输出电流连续,便于滤波。输出端的-极采用采用电阻实现电流采样,并经过放大电路放大之后送入MCU的ADC口,具体将在第2.3节介绍。



图-2 BUCK同步降压电路原理图

2.2. 驱动电路 如图-3所示,MOS管驱动电路采用TI的半桥驱动芯片UCC27211。该器件内部集成自举电容充电用二极管,耐压120V,驱动电流达4A。特别注意,该器件内部不带死区时间功能,为避免上下桥臂同时导通,死区时间必须在MCU上实现。

 
图-3 MOS管驱动电路

2.3. 信号调理电路 信号调理电路包含输入电压检测,输出电压检测,远端电压测量,输出电流检测等,这些功能都是基于TLV2374运算放大器实现并且采用差分形式。
1)输入电压检测
如图-4所示,输入电压检测直接采用电阻分压实现。
表达式:
Vin   =   ADC_V_IN * 31              (式1)




 
图-4 输入电压检测电路



2)输出电压检测
如图-5所示,输出电压检测电路基于TLV2374的差分电路实现,由于主电路的输出端的低端电流采样会对电压检测形成干扰,并且差分电路具有很高的共模信号抑制,有利于猜到准确的信号。
表达式:
Vout   =   ADC_V_OUT * 30              (式2)




 
图-5 输出电压检测电路

3)远端电压检测
如图-6所示,远端电压检测电路基于TLV2374的差分电路实现,远端电压测量对于电池充放电是有效的,可以避免由于导线压降产生的影响。用法:直接接入电池两端,请注意正负极。
表达式:
Vext   =   ADC_EXT_SENSN * 30              (式3)




 
图-6 输出电流检测电路

4)输出电流检测
如图-7所示,输出电流检测电路基于TLV2374的差分放大电路实现,在主电路中采样电阻采用10mΩ,要使MCU能够识别该信号,必须经过放大到一定值。由因为本应用要实现双向DCDC功能,这就使得电流有正负,但是MCU无法采集负信号,这里得认为将电压提高,保证电流在负值时,ADC_I_OUT输出还是为正。所以,采用1:1电阻分压,然后经过一个跟随器(提高驱动能力)输出一个1.65V的参考电压,如图-8所示。到这里,该检测电路就可实现正负点流的采样。
表达式:
Iout   =   (ADC_I_OUT - 1.65) / 0.20           (式3)




 
图-7 输出电流检测电路




图-8 参考电压1.65V产生电路





2.4. 控制电路

图-9 控制电路

如图-9所示,控制电路采用STM32F334微控制器,有下载接口,串口通信等接口以及运行指示LED灯。STM32资源分配如表1所示。


表1 STM32资源分配


引脚名称

对应信号

说明

PA8

PWM1A

上桥臂驱动信号

PA9

PWM1B

下桥臂驱动信号

PA0

ADC_I_OUT

输出电流检测

PA1

ADC_V_OUT

输出电压检测

PA2

ADC_EXT_SENSN

远端电压检测

PA3

ADC_V_IN

输入电压检测

PB6

USART1_TX

USART1发送

PB7

USART1_RX

USART1接收

PA13

SWDAT

SWD仿真接口

PA14

SWCLK

SWD仿真接口

PB3

LED2

故障指示灯

PB4

LED1

运行指示灯


2.5. 辅助电源电路

如图-10所示图-10 辅助电源电路产生12V、3.3V两种电压等级。XL7005A将输入端降压到12V,SPX3819-M-3.3将12V稳压到3.3V。




图-10 辅助电源电路

3. 方案主要算法介绍 3.1. PID算法 PID算法是一个很经典的自动控制算法,经过几十年的认证,在我们生活发挥了重大作用。PID的资料已经太多了,此处不再讲述其原理,直接给出C代码,若想了解其根本原理,请自行学习。


PID算法用到的数据:
typedef struct  _PID{    
pid_float32 SetPoint; //输入:给定值
pid_float32 Feedback; //输入:反馈值


pid_float64 T; //采样时间
pid_float64 Kp; //比例常数
pid_float64 Ti; //积分时间
pid_float64 Td; //微分时间


pid_float32 a0; //系数1:a0 = Kp(1 + T/Ti + Td/T)
pid_float32 a1; //系数2: a1 = Kp(1 + 2Td/T)
pid_float32 a2; //系数3:a2 = Kp*Td/T


pid_float32 Ek;       //当前误差
pid_float32 Ek_1;     //前一次误差
pid_float32 Ek_2;     //第二次误差


pid_float32 Output; //输出值
pid_float32 Last_Output; //上一次输出值
pid_float32 Increment; //增量值


pid_float32 OutMax; //输出限制最大值
pid_float32 OutMin; //输出限制最小值


} PID_TypeDef;




PID的数据初始化程序:
void PID_init ( PID_TypeDef *p)
{   


p->a0 = p->Kp*(1 + 1.0*p->T/p->Ti + 1.0*p->Td/p->T);
p->a1 = p->Kp*(1 + 2.0*p->Td/p->T);
p->a2 = 1.0*p->Kp*p->Td/p->T;
}




增量式PID算法:
pid_float32 PID_Calc( PID_TypeDef *p, pid_float32 feedback, pid_float32 ref)
{
p->Ek = ref - feedback; 


p->Increment = (  p->a0*p->Ek - p->a1*p->Ek_1 + p->a2*p->Ek_2 ); 


p->Output = p->Last_Output + p->Increment;


if(p->Output > p->OutMax)p->Output   = p->OutMax;
if(p->Output < p->OutMin)p->Output   = p->OutMin;
p->Ek_2           = p->Ek_1;
p->Ek_1           = p->Ek;
p->Last_Output    = p->Output;
return p->Output;
}
4. BUCK同步减压拓扑及控制方式说明
降压转换器仅能提供比输入电压低的平均输出电压,这正如其名称所表示的一样。降压转换器的基本原理图和开关波形如图-11所示。在降压转换器中,开关(Q1)与输入电压源VIN 串联。输入电压源VIN 通过功率开关和低通滤波器馈送到输出,而低通滤波器则由电感和电容构成。在稳态运行中,若开关导通时间为TON,输入将向输出和电感(L)提供能量。在TON 期间,电感电流流经功率开关且VIN 和VOUT 之间的正向电压差将加在电感两端,如图-11(C)所示。因此,电感电流IL 将呈线性规律从当前值IL1 上升到IL2,如图-11(E)所示。在TOFF 期间,当开关关闭,电感电流的方向与前面相同,这是由于电感中的储能继续提供负载所需电流。在Q1 关闭期间(TOFF),二极管D1 提供电感电流回路;因此,该二极管称为续流二极管。在TOFF 期间,输出电压VOUT 将以反方向加在电感两端,如图-11(C)所示。因此,电感电流将从当前值IL2 减小至IL1,如图-11所示。

图-11 电压模式控制

当输出电流要求较高时,续流二极管D1 中过高的功耗将限制可达到的最小输出电压。为减少大电流下的功耗并获得较低的输出电压,采用具有极低导通电阻RDSON的MOSFET替代续流二极管。该MOSFET的导通与关断与降压MOSFET同步。因此,这一结构称为同步降压转换器。该同步MOSFET的栅极驱动信号需与降压开关栅极驱动信号呈现互补关系。


原理图PDF版,欢迎下载指导,谢谢。
Syn-buck.zip
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未完待续


英飞凌客服
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LV8
副总工程师
  • 2016-11-21 11:12:50
  • 倒数4
 
期待楼主的后续更新
刘文硕
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LV4
初级工程师
  • 2016-11-22 00:48:12
  • 倒数3
 
好详细,我也想过双向的DC_DC,但是别人被否定了,不过感觉楼主你好强啊,在你的帖子里还可以看到一点关于32的知识。学习一波
ljj1993
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高级工程师
  • 2016-11-22 10:07:24
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ljj1993
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LV6
高级工程师
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  • 2016-11-22 10:17:07
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请问为什么上下两桥臂用两个MOS并联?
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