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  • 原标题:基于STM32F334双向同步整流BUCK-BOOST数字电源设计随着不可再生资源的日益减少,人们对新型清洁能源的需求增加,促进了诸如太阳能发电、风力发电、微电网行业的发展,在这些行业产品中需要能量的存储释放...

    原标题:基于STM32F334双向同步整流BUCK-BOOST数字电源设计

    随着不可再生资源的日益减少,人们对新型清洁能源的需求增加,促进了诸如太阳能发电、风力发电、微电网行业的发展,在这些行业产品中需要能量的存储释放以及能量的双向流动,比如太阳能、风力发出的电需要升压逆变之后才能接入电网,而对于电池或者超级电容的充放电需要系统能够具备升压和降压的功能,为了确保电能转换的安全性以及稳定性,因此急需设计一款变换器,不仅能实现能量的双向流动,还能在同一方向实现升降压功能。

    本系统设计采用同步BUCK电路和同步BOOST电路级联而成的同步整流BUCK-BOOST电路拓扑,并采用STM32F334高性能32位ARM Cortex-M4 MCU构建数字电源,其不仅嵌入浮点单(FPU),集成高分辨率的定时器(达217ps)和两个超高速5Msps(0.2µs)12位模数转换器(ADC),对电路的输出电压电流同步测量,还构建实时的双闭环PID控制,实时跟踪输出电压,减少系统的稳定误差。

    双向同步整流BUCK-BOOST变换器原理

    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电路在同一方向上实现了升降压功能。

    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电路中由于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电路中利用MOS管代替电路中的整流二极管,由于MOS管开通时MOS管上的压降相对较低,能够显著提高电源的效率如图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,根据BUCK电路电压增益公式:

    其中DBU定义为BUCK电路的占空比,对应图1中MOS管Q1的占空比,DBO定义为BOOST电路的占空比,对应本设计中MOS管Q4的占空比。其中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电路根据输入输出的电压关系将电路工作状态分为降压区、升压区和降压-升压区;当输出电压显著小于输入电压时,电路工作在降压区,此时Q1和Q2互补导通,Q4常关Q3常通,电路等效于同步BUCK电路;实际应用中由于MOS管驱动采用自举升压的方式,Q4不能始终截止,否则当Q3的自举电容能量损耗完时,Q3将截止;为驱动Q3,Q4必须导通一小段时间为Q3的自举电容充电以驱动Q3。因此在实际控制中可将Q4的占空比固定设为0.5(即DBO可根据实际情况调整),而Q1的占空比DBU可在0-0.95之间变化,如此电路将一直工作在降压区。

    当输出电压显著大于输入电压时,电路工作在升压区,等效于同步BOOST电路,和电路工作在降压区的情况类似,Q2不能始终截止,需要导通一小段时间为Q1的自举电容充电,因此在实际控制中可将Q1的占空比DBU固定设置为0.95(可根据实际情况调整),而Q4的占空比可在0-0.95之间变化,如此电路将一直工作在升压区。

    当输出电压和输入电压接近时,电路工作在降压-升压区,即在一个周期内一段时间按降压方式工作,一段时间按升压方式工作。双向同步整流BUCK-BOOST电路MOS管开关状态主要有如图2所示三种状态。

    当MOS管在A、B状态之间切换时,电路工作在降压模式;当MOS管在B、C状态之间切换时,电路工作在升压模式;当MOS管按照状态A-B-C-B-A的顺序却换时,电路工作在降压-升压模式。如图8所示为电路工作在降压-升压模式时的驱动波形和电感电流波形。

    在t0-t1阶段电路处于状态B,此时Q1、Q3导通,Q2、Q4截止;

    当Ui>U0 时,电感电流增大;

    当Ui

    在t1-t2阶段电路处于状态C,此时Q1、Q4导通,Q2、Q3截止,电感电流增大。在t2-t3阶段电路处于状态B,在t3-t4阶段电路处于状态A,此时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,不论电路是工作在降压模式、升压模式还是降压-升压模式,本质上是控制降压占空比DBU和升压占空比DBO。

    系统方案

    系统方案结构框图如图4所示,同步整流BUCK-BOOST数字电源由BUCK-BOOST主电路、辅助电源、驱动电路、信号调理电路、STM32F334主控电路以及OLED驱动电路构成。

    其中STM32F334作为主控芯片,利用F334的HRPWM模块产生所需PWM,通过UCC27211驱动器驱动MOS管;通过信号调理电路和ADC模块采集输入电压、输出电压、输出电流等信号,并利用采集的信号进行运算控制,以达到恒压恒流输出的目的。

    辅助电源采用XL7005A、AMS1117-3.0分别变换产生12V、3.3V两路电源,并为MOS驱动电路、信号调理电路、OLED驱动电路、主控芯片供电;OLED显示系统的工作状态、输出电压、输出电流等信息。

    主电路设计

    如图2所示为BUCK-BOOST主电路图, BUCK模式需要电感大小:

    由于贴片陶瓷电容的ESR较小,单个贴片陶瓷电容ESR大概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,只计算电容充电引起的电容纹波。

    所需电容容值:

    输入输出电容要大于5.2μF;本设计中采用8颗2.2μF的陶瓷电容并联总容量17.6μF。MOS管采用英飞凌型号为BSC060N10NS3G,耐压达100V,最大可持续通过90A电流,最小导通电阻6m;而本设计中最高电压为48V远低于MOS管耐压;最大峰值电流为10A远低于MOS管最大持续电流。

    驱动电路设计

    如图5所示,MOS管驱动器采用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,外部需要连接自举电容,采用自举升压的方式驱动高侧MOS管;自举电容选取0.47μF,芯片驱动电流峰值高达4A,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,防止PWM信号输入开路或高阻时MOS误动作;MOS管驱动电阻采用2Ω,芯片内部不带有死区功能,为防止上下桥臂通时导通,需要在软件上实现死区功能。

    辅助电源设计

    如图6所示,辅助电源通过二极管隔离从BUCK-BOOST电路的输入端和输出端取电,经过XL7005A变换产生直流12V,在通过AMS1117-3.3变换产生3.3V、A3.3V两路电源;直流12V为驱动芯片供电以驱动MOS工作;直流3.3V、A3.3V为STM32F334和运放供电。

    信号调理电路设计

    ①输入输出电压检测

    输入输出电压通过运放TLV2374采用差分电路将输出电压按比例缩小至ADC能够采样的范围,再使用ADC采样,软件解算出输出电压。输入电压采样是通过F334内部运放按比例缩小再送到ADC进行采样的,具体电路如图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采样差分放大电路实现;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准确,采样电阻为10Ω,由于采样电阻较小,采样电阻上的压降较小,不利于直接采样,需要放大后再采样。

    由于本设计中电流双向流动有正有负,MCU不能采样负电压,所以需要一个基准电压将放大后的负电压抬升至正电压供MCU采样;基准电压用3.3V通过1:1电阻分压产生1.65V,经TLV2374组成的电压跟随器输出1.65V供电路使用,如图9所示,输出电流检测电路如图8所示。

    主控电路设计

    基于STM32F334引脚名称及其属性如表1所示。

    系统软件设计

    本设计中采用电压控制模式,即通过采样输出电压与期望输出电压比较产生误差信号,将误差输入PID算法计算出所需占空比,通过改变占空比来达到稳压输出的目的。图10是软件流程图,在定时器3的中断程序里进行PID运算和更新占空比,PID算法分为增量式和位置式。

    作者信息

    牟健,何波贤,梅杰,丁少娜;91206部队。返回搜狐,查看更多

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    开关电源经验

    1、MOS管工作频率问题

    在开关电源中,PWM波的频率越高,MOS管的损耗越大,但是频率越低,输出电压纹波越大,建议频率:20K-30KHZ

    2、肖特基二极管的导通压降一般为:0.3V

    3、直流电流检测一般用毫欧级别的康铜丝电阻或者锰铜丝电阻,锰铜丝电阻相对于康铜丝电阻性能更稳定。

    4、电压采样一般采用电阻分压的方法,电阻分压电阻尽可能大,尽可能减小流过分压电阻的电流大小,一般用几十K欧。

    5、对于输出电容尽量多个电容并联,减小电容的容抗,电容越并越大,容抗越并越小。

    6、模拟地和数字地之间一般用0欧姆电阻连接,因为模拟地流过的电流大,数字地流过的电阻小,所以用0欧电阻隔开,避免大电流对数字芯片的损害。

    7、SPWM波的产生方法:

      模拟方法:将正弦波和三角波送入比较器,产生SPWM波;

      数字方法:将正弦波的点作为PWM波的占空比进行输出

    8、检测大电流还可以用霍尔传感器。

    BUCK降压拓补电路

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    L1:蓄能电感,Q1:开关管, D1:续流二极管, C1:输入电容, C2:输出电容

    1、工作原理:当Q1导通时,输入电源、L1Q1、负载行成回路,输入电源通过Q1给蓄能电感充电;Q1断开时,输入电源断开,L1D1、负载重新行成回路,负载充当新的电源为负载提供能量。

    2、为什么是降压?   因为电感的能量是由输入电源为其蓄能得到的,因此电感的能量不可能超过输入电源,所以输出低于输入。

    3、能量损耗   该电路的能量损耗主要来自续流二极管的导通损耗,开关管的内阻的损耗以及开关损耗,电感的损耗。

    4、输出电压与输入电压的定量关系   Vout/Vin=D(DPWM波的占空比)   所以占空比越大,对于NMOS管来说,导通时间越长,对电感充电蓄能时间越长,输出电压就会越大。

    BUCK电路同步整流

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    1、工作原理:

    与普通的BUCK降压电路相同,唯一与之不同的是用MOS管代替续流二极管,为什么可以用MOS管代替续流二极管,在前面提到的BUCK电路中,我们可以发现,当开关管导通时,续流二极管是截止的,而当开关管关断时,二极管才会导通形成回路。

    再看该电路,若用一对反相的PWM分别控制Q1Q2,当控制Q1PWM波是高电平时,Q1导通(NMOS高电平导通),而此时控制Q2PWM为低电平,Q2截止,输入电源、Q1L1、负载形成回路,并且输入电源为蓄能电感充电;当PWM倒相时,Q1截止,Q2导通,L1、负载、Q2重新形成回路,输出电容和电感分别为负载提供电压和电流。

    2、优缺点

    优点:

    由于用MOS管代替了续流二极管,我们知道,MOS管的导通电阻非常小,一般是毫欧级别的,所以减小了由二极管带来的损耗,提高了降压电路的转换效率。

    缺点:

    由于需要控制两个MOS管,所以需要两路PWM进行控制,并且两路PWM反相,这就需要外加驱动电路,后期会有详细讲解,所以增加了控制的难度,也增加了电路的复杂性。

    3、最主要的特点就是提高了效率,减小了损耗,其他的输出特性均与普通BUCK降压电路相同,不再赘述。

    BOOST升压电路

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    1、L1:蓄能电感,D1:续流二极管,Q1:开关管,C1:输入电容,C2:输出电容

    2、电路原理:

    当Q1导通时,输入电源、L1Q1形成回路,电源为电感L1蓄能,此时二极管D1截止(二极管的导通电阻比MOS管的导通电阻要大很多),当Q1关断时,输入电源、电感L1、二极管D1、负载形成回路,电感上的电能叠加在输入电源上为负载提供能量,所以输出一定大于输入,为升压电路。

    3、输出电压Vout、输入电压VinPWM占空比D之间的关系:

    Vout/Vin=1/(1-D)

    所以占空比越大,电感蓄能越多,输出电压越大。

    4、与降压电路的区别:

    可以发现,在升压电路中,电感在前,MOS管在后,电感放电期间会和输入电源同时出现在同一回路中,而在BUCK电路中,电源供电时,电感处于充电状态,电源切断后,电感放电。

    5同样的,将续流二极管换成MOS管后,可实现BOOST同步整流,提高效率。

    展开全文
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                             图一:buck电路

    开关电源相对于LDO来说具有输出电流大以及效率高等优点。由图一可以看到buck电路的损耗除了电感内阻、以及开关管SW的损耗(开关损耗、导通损耗)外还有二极管存在一定的损耗,在电压输入输出电压较大的情况下可以暂时不进行考虑,但是在低电压场合,如输出1.8V的情况下,二极管的导通压降(0.6V)导致的损耗会导致输出电源转化效率急剧下降,就不能进行忽略二极管的损耗(即使是使用肖特基也不能忽略)。为解决这个问题,使用buck同步整流技术将是一个很好的解决办法。

                           图二:buck同步整流

    在图二buck同步整流电路中VT与SR需要一相同的频率信号以互补的方式进行驱动,保证在VT导通时SR截止,VT截止时SR导通。

    把MOS管当做开关管使用时,漏极接电源正端,源级接电源负端,在栅极的驱动信号作用下导通时,电流由漏极流向源级。而将MOS管作为同步整流管使用时,将MOS管反接使用,使得导通时电流由源级流向漏极。

     

                                   图三: MOS等效

    MOS管可以等效为二极管,由图三所示,其可以等效为左边的二极管也可以等效为右边的二极管,如果等效为左边的二极管结合图二中的SR可以看到当管子导通时电流从其漏极流向源级,当管子截止时电流可以从其体内二极管流过,使得无论管子SR导通与否都有电流流过。将其等效为右边的二极管时则可以在VT导通时使SR有效截止,在VT截止时使SR导通。PS:由于MOS的导电原理是单一N型半导体导电,所以是电阻导电性质,使得其电流能够从其源级流到其漏极

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    1.BUCK电路的降压过程
    在这里插入图片描述
    2.同步整流BUCK电路效率更高
    3.MP2307(内置NMOS)
    在这里插入图片描述
    4.TPS40057(NOS外置,同步整流)
    在这里插入图片描述
    5.BUCK电路输出负电压
    输入不变,将所有输出接在一起做地,把地单独接出来做输出。
    在这里插入图片描述
    6.PCB布局
    在这里插入图片描述
    学习地址:DCDC-BUCK2

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同步整流buck电路