同步（双向）BUCK电路设计

一、背景

将大小恒定的直流电变换为另一恒定或电压可调的直流电的变换电路称为直流- 直流变换电路(DC/DC Converter)。不带变压器隔离的直流变换电路称斩波电路(DC Chopper)，它的作用是直接将一直流电变换为另一电压恒定或者电压可以调节的直流电。在电力电子技术出现之前，直流调压技术主要依靠直流发电机。通过电位器调压虽然可以改变直流电压的大小，但是当负载发生变化时，负载两端电压变化较大。电力电子技术则很好解决了直流变换问题，由于采用了PWM控制的方式，因此称为直流斩波电路。常用的DC/DC直流斩波电路有Buck电路和Boost电路，其他四种还有Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路以及Zeta电路。
这里针对BUCK变换器进行了设计与研究，由于传统的BUCK电路的二极管的损坏较大，这里针对同步（双向）BUCK电路进行了研究。
同步整流技术是近几年研究的热点，主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。
此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC／DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电。

二、双向BUCK变换器拓扑

双向 Buck/Boost 变换器拓扑结构如图所示，它是在 Buck 或者 Boost 变换器的基
础上将电路中的 MOS 管反并联二极管或者将路中的二极管反并联上 MOS 管。这种电路
结构简单，使用元器件较少，适用于小功率且不需要电气隔离的场合。这种拓扑有三种
工作模式—Boost 模式、Buck 模式及交替工作模式。这就决定了这种变换器具有局限性，
功率从右向左流动只能是 Boost 模式，功率从左向右流动只能是 Buck 模式，这样就导致
变换器右边电压必须低于左边边电压。
当电路工作于正向Buck时，Sw作为主开关管，当Sw导通时，Sw关断，电感L储能；当Sw关断时，SR导通续流，电感L释能给输出负载供电。当电路工作于反向Boost升压电路时，SR作为主开关管，当SR导通时，Sw关断，电感L储能；当SR关断时，Sw导通续流，电感L释能给输出负载供电。

三、参数设计

输出电压：1-10V
输出额定电压：12V
最大输出电流：10A
开关频率：100KHz（10uS）

主要参数计

1. 占空比计算
2. 输出滤波电感计算
3. 输出滤波电容值计算

这里就懒得计算了，不是专门研究电力电子方向的，所以拿别人验证过的参数进行设计那。
具体看该电赛大佬：电赛大佬的buck降压电路

需要制作一个最大可以提供10A电流的降压模块
输入用12V的3S锂电池来供电，预计输出7.4V
那么开始计算电感参数：
ΔV=12-7.4=4.6V
频率取100kHz，即f=100kHz
占空比D=7.4/12=0.617
PWM周期T=1/f=10us
一个周期内MOS管导通时间Ton=TD=0.61710us=6.17us
纹波系数取0.3，则纹波电流为ΔI=0.310A=3A
电感承受ΔV=4.6V的电势差，在Ton=6.17us时间内电流上升ΔI=3A
电感的伏安关系公式如下
dI=Ldu/dt
因为时间很短，可以取值如下
dI=3A
du=4.6V
dt=6.17us
计算得L=4.37uH
由于电感在直流偏置电流的影响下，电感量还会降低，所以可以选取较大感值的电感来制作。
计算电容参数：
输出电压平均值为7.4V
纹波电压就让它在1%的范围内吧，计算一下就是0.07V，
按照电感电流谐波全部进入Co，恒定分量进入负载计算，
dU=1/8 TΔI * 1/C
对上面的参数进行取值
dU=0.07V
T=10us
ΔI=3A
则可计算出C=53.6uF

四、电路设计

4.1主电路设计

计算开关管的电压、电流，并进行器件选型。
计算电感感量、电容容值，并进行器件选型。
根据电路拓扑给出主电路的设计图。
这里就拿大佬的现成的资源用啦。（懒得翻立创eda的请看下图）

最终设计的电路图如下：
Mosfet采用的是irf540(立式封装）

4.2驱动电路的设计

DC/DC变换器开关管需要触发信号，一般单片机输出的触发信号不能直接用于驱动开关管，需要通过驱动电路进行放大处理。
IR2104是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，该器件采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性，被广泛应用于小功率变换器的驱动芯。
根据官方手册，加入必要的自举二极管和自举电容后，在PWM信号输入引脚加100 Ω的电阻以及反并联二极管，防止PWM信号输入开路或高阻时MOS误动作； IR2104芯片内部带有死区功能，可以防止上下桥臂通时导通，只需要一路PWM控制。

4.3采样电路的设计

电压采样电路采用电阻分压后直接通过运放LM358采用电压跟随器将调理输出电压，再使用ADC采样，软件解算出输出电压。

五、proteus仿真

遇到的问题

1. 快恢复二极管(上图D4)
   使用BYT30(亲测可用)
   注：proteus中的快恢复二极管模型稀缺，在库里直接搜fast recovery可以选用其他规格的快恢复二极管。

2. 仿真一半闪退
   https://blog.csdn.net/qq_38680405/article/details/91467355
   复制该文件夹下所有文件
   
   替代以下文件夹的所以文件（注意要使隐藏文件可见）
   

3. 激活问题
   
   在导入完本地密钥后双击运行该文件（尽量右键以管理员运行）
   注意（请让proteus以默认安装路径安装，否者该软件无效）

仿真总图 （去掉部分无仿真模型的二级管）

六、实物焊接

注意：

1. 这里是12V电源可以通过3节18650串联得到
2. 通过电源适配器得到（路由器电源或者是光猫拆一个拿来调试，或者买一个）
3. 学生电源

6.1 PCB对应的原理图 （部分器件为了方便布线进行了替换 参考一下就好）

6.2 PCB布板（proteus设计）

这里主要是dc005在proteus封装时映射错引脚了，导致vcc和GND接反。懒得改了，所以自己搞的时候要注意一下。

正面

反面

6.3实物展示

实物正面

实物背面

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后记，buck电路试试水，让我对单片机、电力电子有了更深的理解，这段旅程可能就到这啦，后续可能会上传使用stm32750使用PID调的代码到gitee。