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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

本章介绍的电路是 双向DC-DC变换器 。仿真软件主要采用免费的LTSpice。

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仿真文件是免费的。。。

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一、双向DC-DC变换器的基本原理

双向DC-DC变换器的电路图如下。电路由2个开关管，一个电感及输入、输出电源构成。
图中$R$是电路的寄生电阻，这个寄生电阻可能是开关管、电感、电源内阻、取样电感中一个或者几个的叠加。电路假设输入、输出电源电压的变化速度小，因此，输入、输出端不添加电容。这样做的话电路比较简单，分析起来会比较方便。其实，这个电路就是从同步整流Buck电路变过来的，输出端的电容去掉了，用一个电压源替代。
上下两管驱动电压的波形是一组相位互为180°的方波，上管方波的占空比定义为$d(t)$。下管的占空比为$1-d(t)$。括号带时间$t$表明这占空比随时间的变化而变化。但是，大家仔细看我给出的电路里边所有字母都是大写的表示的是 稳态 的 平均值。画图比较仓促，符号的表示有些随意性，请多多包涵。

以占空比$d(t)$为权重因子建立电路方程：

$$L\frac{d⟨i_L{⟩}_{T_s}}{dt}=-R{i}_L+d(t)V_{in}-V_{out}（开环）$$

哈哈，电路方程就只有一个。接下来，由 伏秒平衡 可知，电感电压在稳态的时候，平均值等于0，于是，令方程等于0，可以求出方程的稳态解。

$$L\frac{d⟨i_L{⟩}_{T_s}}{dt}=-R{i}_L+d(t)V_{in}-V_{out}=0（开环）$$
可求出稳态占空比$D$与稳态电感电流$I_L$之间的关系如下：
$$I_L=\frac{D{V}_{in}-V_{out}}{R}（开环）$$
并画出关系图。我们可以看到直线与横坐标轴有一个交点$D_0$，这个点是电感电流方向的分界点，当占空比$D$比$D_0$小的时候，稳态电感平均电流$I_L$的方向是电路图中所标注的相反方向，此时，能量从输出端朝输入端流动，顺着电流的方向看过去，电路工作在升压模式。当占空比$D$比$D_0$大的时候，稳态电感平均电流$I_L$的方向与图中标示一致，能量从输入端向输出端流动，此时电路工作在降压模式。

模型中的$R$一般情况下是很小的，因此，在输入电压很大的情况下，直线的斜率应该很大。假如输入电压是40V，R的大概0.5$\Omega$这样，那么斜率就有80A/D这样子。占空比的变化范围是虽然很小，步进值在0.1的时候，电流的变化有8A这样子，因此，手动调节是很难达到精确控制的。且当占空比等于0的时候，相当于下管完全开通，这样输出电源相当于被短路，$I_L$是很大的，当占空比等于1时，上管完全开通，下管完全关闭，流过$I_L$取决于输入电源与输出电源的差值，如果差值很大，那么$I_L$也是很大的。
因此，开环控制是很难精确控制$I_L$，并且调节占空比$D$时，$I_L$跑得这么快好像对于开关管好像不太安全。。。需要使用控制电路对电感电流进行闭环控制。

二、基于LTSpice的双向DC-DC变换器的仿真电路搭建

1、用到的芯片

TL494、IR2104。。。

TL494 负责反馈控制以及生成占空比随控制信号变化的PWM波。TL494比较常见，网上有很多关于它的资料。
IR2104 负责驱动半桥。。。同步整流电路两个开关组成了半桥的结构。用2104是非常合适的。

2、仿真电路图

仿真电路直接贴出来了。输入电压$V_{in}$，输出电压$V_{out}$，分别是24V，12V。

电路的具体细节就不再详细讲解，这里只讲个大概。有机会的话，我会把详细的讲解视频放到B站上。

IR2104 这块电路，数据手册上已经有了，这里也不再详细叙述。上拉电阻$R_5$用于关闭PWM信号的封锁。
电阻$R_3$，$R_4$其实可以不加，在实际电路中加了可以防止MOS关断失效，导致桥臂直通故障。电阻$R1$、$R2$取10欧，也可以取其他值，这两个电阻的主要作用是：1、考虑EMI的问题，降低MOS的开通速度。2、阻尼PCB寄生电感与GS之间的等效电容产生的振荡。

对于TL494，关键的地方还是补偿电路（$R_{12}$、$R_{13}$、$R_{14}$、$C_3$）这里。$R_{12}$、$R_{14}$、$C_3$组成一个PI控制器，PI控制器包含一个零点，一个零极点。被控制对象的阶数只有一阶，对于这样的系统使用PI控制器进行闭环控制是非常合适的。另外，在TL494的一份设计手册中提到$R_{13}$的作用是降低运放的直流增益，增强运放的稳定性，但是会增大稳态误差。难道这款IC的运放性能不是很好？！！

其他引脚的外部电路不再细讲。。。

3、电路测试

理论没经过实践，还是白搭。。。。

一、验证$D_0$处的$I_L$值（开环实验）

将TL494与IR2104的PWM信号路径切掉，在IR2104的IN端接一个方波电压源。设置导通时间，使节点V_SW处的平均电压等于差不多12V，占空比就差不多等于0.5，此时，电感的平均电流差不多等于0。由于驱动电压不是标准的方波，出现了少许误差，还是接近理论值，验证了理论没有白扯。。。

二、验证电路是否具备双向传输能量的能力及闭环控制的精度（闭环实验）

参考电压V_ref在-2.5V-2.5V之间阶跃变化，电感电流跟着在-2.5A-2.5A之间阶跃变化，能量也在输入端电源和输出端电源之间传输，电路的工作状态在降压和升压之间来回切换。

电路凑效了。。。。。

三、环路扫频（闭环实验）

这个实验比较重要，验证一下补偿网络器件的值是否正确。
这里扫频的区间选在在1k到30k之间，穿越频率点恰好落在这个区间。
扫频的下限最好高一点，点数不要太多。否则，配置差的电脑可能一天都跑不完。

实线表示增益，虚线表示相位。

同图片上看穿越频率在16k这个地方，相位裕度有70度。

稳如狗。。。

三、结束

关于频率补偿电路暂时不做讲解。其实，补偿电路的那3个元件非常好调。从专业的角度看，功率级是一个一阶系统，电路的动态特性会比较简单。稳定性这个问题可以不用太担心。。。

仿真文件的连接如下：
[点击下载] Birbuckboost_LTSpice.rar

文件目录如下：

确保TL494，IR2104 的库文件和仿真文件在同一目录。

文件：
BirBuckBoost_PI1_CurrentLoop.asc 用来仿真时域波形。
TL494_CurrentLoop_FRA.asc 用来仿真环路的频率响应，里边写好了仿真控制的代码。