BUCK/BOOST电路控制算法详细总结

简介

DC-DC也就是直流转直流电路，一般用于给设备输入充电，或者设备输出直流给别的设备充电，在生活中也比较常见。例如电脑适配器给电脑充电时，电脑端输入接口就有DC-DC电路，把电脑适配器的输入电压通过控制算法，升高/降低电压来给电脑充电。另外一个移动电源的TYPE-A、TYPE-C口也是DC-DC电路，是把电池电压升高/降低调节为稳定的输出电压5V、9V、12V、15V、20V等给外部设备充电。

今天就对DC-DC电路做一个简单的总结，欢迎各位电源的工程师朋友交流。

一、电路原理

首先，我们先看下DC-DC的电路是啥样子的，如下图所示：

上图的左边是输入端，右边是输出端，输入端接的是充电设备，输出端接的是电池，这个DC-DC电路通过把输入端的电压进行斩波控制，使电池能够稳定的充电。

斩波如何控制呢？

从上图我们可以看出，有PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，这几个就是占空比控制输出的脉宽调制，通过控制这几个接口的PWM使输出端能够稳定输出想要的电压。

BOOST电路原理：PWM1恒定导通(PWM为100%)，PWM2恒定断开(PWM为0%)，PWM3、PWM4通过脉宽调试控制，PWM3占空比小，电池端电压输出越高。

BUCK电路原理：PWM3恒定导通(PWM为100%)，PWM4恒定断开(PWM为0%)，PWM1、PWM2通过脉宽调试控制，PWM1占空比越大，电池端电压输出越高。

了解了以上电路的原理，下面我们看下应用场景有哪些。

二、DC源充电应用

DC源充电应用场景也有好几种，下面我们讲一下具体的案例。

1.单升压充电

应用于DC输入电压小于电池最小电压的场景，比如：DC输入12V，电池电压最低18V。

这种属于BOOST充电，左半桥PWM1的占空比设置为100%，PWM2的占空比设置为0%，这两个值是固定的，BOOST充电时主要调试右半桥的PWM3和PWM4，假如充电功率为100W，软件可以设置充电功率范围在90~100W，当功率小于90W时，升高PWM的占空比，当功率大于100W时，降低PWM的占空比，使功率相对稳定在这个区间。

当电池电压达到某个值时，进入CV模式，一直持续到充满则停充。

2.单降压充电

应用于DC输入电压大于电池最大电压的场景，比如：DC输入28V，电池电压最高25.2V。

右半桥PWM4设置为0，BUCK充电时主要调试左半桥的上、下管PWM，假如设置充电功率范围在90~100W，当功率小于90W时，升高PWM1的占空比，当功率大于100W时，降低PWM1的占空比，使功率相对稳定在这个区间。

3.先升压再降压充电

应用于DC输入电压位于电池最大最小电压之间的场景，比如：DC输入24V，电池电压范围18V~25.2V。

BUCK-BOOST算法的关键点在于临界点转化的时候，其他时间段和单独的BUCK，BOOST一样，当BUCK充电跳转到BOOST充电，充电功率需和BUCK充电的功率衔接上，转换时中间功率不能掉下来。

这里要说明一下，这几路PWM配置的都是互补模式，需要用高级定时器配置，我这里用的是STM32G070，直接用STM32CubeMX配置的。配置如下图：

三、光伏充电应用

光伏充电这里要用到MPPT算法，MPPT为最大功率点追踪算法，说的直白点就是，当PV给电池充电时，使当前充电功率保持最大点给电池充电。MPPT算法有：固定电压法、观察扰动法（Perturb and Observe，P&O）和电导增量法（Incremental Conductance，INC），这个项目采用的MPPT算法是扰动观察法。

单向扰动

光伏组件P-V曲线随光照变化，如下趋势：

MPPT算法逻辑：

正向扰动：当前功率>上次功率 || PV电流> 上次PV电流，则正向扰动；

反向扰动：当前功率<上次功率之后，如果当前电池电压>上次电池电压，则正向扰动，反之则反向扰动。

四、便携储能DC充电

便携储能的DC输入充电一般是需要兼容DC和PV输入的，这里就需要识别算法，识别出来输入源是DC直流源，还是光伏输入。

如何区分PV/适配器？

光伏输入的特点是输入电压会随着电流变大，电压变小，当达到最大功率时，电压、电流相对稳定在这个小范围内；适配器输入的电压是恒定的，电流随着功率的增加越来越大，当电流达到最大值时，如果继续抬高功率，则输入电压就无法恒定，会被强制拉低，此时如果是开关电源，则会提示过流报警。

基于以上原理，可以区分出来是PV，还是适配器模式。

区分出来输入源之后，跳到对应的算法流程中，执行对应算法。

PV/适配器控制流程图如下：

PV/适配器代码实现的状态机如下：

五、总结

通过以上总结，我们对DC-DC直流电路有了一个系统的了解，针对各种控制算法的实现有一个感官的认识，其核心的地方主要有以下几点：

-BUCK/BOOST原理，对DC-DC升降压的原理要有一个清晰的认识；

-斩波控制，如何实现充电，斩波电路如何控制输出；

-算法稳定，面对各种测试工况下的电源稳定输出。

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