雙向DC-DC變換器教材

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 雙向 DC-DC 變換器（ A 題） 學(xué)號(hào)： 1440720117 呂剛 2015 年 12 月 30 日 摘要 本設(shè)計(jì)主要由雙向 DC-DC 變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成， 其中雙向 DC-DC 變換電路降壓部分采用 XL4016 開關(guān)降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換芯片， 最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 93%，升壓部分采用 XL6019 開關(guān)型升壓 /降壓芯片，具有低 紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用 PWM 控制原理，形成一 個(gè)閉環(huán)回路，控制電流恒定， 恒壓部分完全由硬件控制， 單片機(jī)輔助控制的方式。 以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電

2、，恒壓放電，過壓保護(hù)功能，并 且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。 在本次設(shè)計(jì)中恒壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路， 對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。 單片機(jī)通過光耦電路的工作與停 止，恒流部分由 PWM 調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。 關(guān)鍵字 電池充放電 升壓降壓 XL4016 XL6019 STM32 目錄 一、系統(tǒng)方案 . 1 1、雙向 DC-DC 變換電路的論證與選擇 1 2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇 1 3、控制方法的論證與選擇 1 二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 . 2 三、電路與程序設(shè)計(jì) . 3 1、電路的設(shè)計(jì) 3 （1）系統(tǒng)總體框圖 3 2、程序的設(shè)計(jì) 5 （1）程序功

3、能描述與設(shè)計(jì)思路 5 （2）程序流程圖 6 3 、程序流程圖 . 7 四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析 . 7 附錄 1：電路原理圖 9 附錄 2：源程序 10 II 雙向 DC-DC 變換器（ A 題） 【本科組】 一、系統(tǒng)方案 本設(shè)計(jì)主要由雙向 DC-DC 變換電路、測控顯示電路、 輔助電源三部分構(gòu)成， 其中 雙向 DC-DC 變換電路降壓部分采用 XL4016 開關(guān)降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換芯片，最高轉(zhuǎn)換效 率可達(dá) 93%，升壓部分采用 XL6019 開關(guān)型升壓 /降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣， 轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。 恒流部分采用 PWM 控制原理， 形成一個(gè)閉環(huán)回路， 控制電流恒定， 恒壓部分完

4、全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求， 實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。 1、雙向 DC-DC 變換電路的論證與選擇 方案 1: 由降壓斬波變換電路 （即 Buck 變換電路 ）和升壓斬波變換電路（即 Boost 電路）組成雙向 DC-DC變換電路，分別各使用一個(gè)全控型器件 VT（IGBT 或 MOSFE）T, 對輸入直流電源進(jìn)行斬波控制通過調(diào)整全控型器件 VT 的控制信號(hào)占空比來調(diào)整輸出電 壓。 方案 2：采用 XL4016開關(guān)型降壓芯片和 XL6019開關(guān)型升壓 / 降壓芯片構(gòu)成升壓、 降壓電路具有低紋波， 內(nèi)助功率 MOS具, 有

5、較高的輸入電壓范圍， 內(nèi)置過電流保護(hù)功能與 EN引腳邏輯電平關(guān)斷功能。 綜合以上兩種方案，考慮到時(shí)間的限制，選擇了比較容易實(shí)現(xiàn)的方案2。 2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇 由于瑞薩單片機(jī)開發(fā)套件數(shù)量有限，所以我們選擇了一款相對便宜，速度快，性價(jià) 比較高的 STM32103V8T6 作為控制器，顯示部分由于收到題目對作品重量的要求，選 擇了質(zhì)量輕，分辨率較高的 0.96寸 OLED 屏幕顯示。由于市場上所售開關(guān)電源模塊的， 紋波大的因素，所以輔助電源選擇了一個(gè)較小的 9V 變壓器，進(jìn)行，整流濾波作為輔助 電源。 3、控制方法的論證與選擇 方案 1：采用 PWM 調(diào)節(jié)占空比的方法控制降壓芯片

6、的控制端， 達(dá)到控制恒流和控 制恒壓的目的，采用 PWM 調(diào)節(jié)軟件較為復(fù)雜，而且 PWM 調(diào)節(jié)較為緩慢，軟件控制難 度大。 方案 2：恒壓部分完全有硬件控制， 硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路， 對電壓進(jìn)行 調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由 PWM 調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。 綜合以上兩種方案，選擇軟件較為簡單，硬件較為復(fù)雜的方案 2。 、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 1、充電電路設(shè)計(jì)分析 充電電路也就是一個(gè)降壓電路，并且要求是一個(gè)恒流源，本次競賽選取XL4016為核 心降壓芯片，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 管腳定義如下 典型 應(yīng)用電路如下 2.2 放電電路設(shè)計(jì)分析 XL6019

7、是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5V到 40V輸入 電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率 MOS。 XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化 了電路設(shè)計(jì)。 PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從 090%之間線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功 能 與 EN 腳 邏 輯 電 平 關(guān) 斷 功 能 。 典 型 應(yīng) 用 電 路 如 下 2.1 充電電路設(shè)計(jì)分析 充電電路也就是一個(gè)降壓電路， 并且要求是一個(gè)恒流源， 本次競賽選取 XL4016 為 核心降壓芯片，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 XL4016 降壓模塊電路圖如下所示 2.2 放電電路設(shè)計(jì)分析 XL6019是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可

8、工作在DC5V到 40V輸入 電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率 MOS。 XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化 了電路設(shè)計(jì)。 PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從 090%之間線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功 能 與 EN 腳 邏 輯 電 平 關(guān) 斷 功 能 。 典 型 應(yīng) 用 電 路 如 下 三、電路與程序設(shè)計(jì) 1、電路的設(shè)計(jì) （1）系統(tǒng)總體框圖 圖 3-1 ) 直流穩(wěn)壓 電源 系統(tǒng)總體框圖如圖 3-1 所示，主要由輔助電源、測控電路、雙向 DC-DC 變換電路等組 成，輔助電源為測控電路供電，測控電路用于檢測和控制雙向 DC-DC 電路，以及電壓 電流的采集與控制。 （2）降壓電路原理 降壓電

9、路采用 XL4016 型 8A ，180KHz ，40V，PWM 降壓型直流對直流轉(zhuǎn)換器，最 大效率可達(dá) 96%。輸出 1.25V到 36V 可調(diào)，8A 恒定輸出電流能力。 如下圖 3-2 所示為 XL4016 降壓部分電路圖，通過對 FB 引腳的控制，可有效的實(shí) 現(xiàn)電流及電壓的控制。該轉(zhuǎn)換器外圍器件少，低紋波，調(diào)節(jié)簡單，內(nèi)置短路保護(hù)功能。 PWM 占空比 0%到 100%連續(xù)可調(diào)。 （圖 3-2） （3）升壓電路原理圖 升壓電路使用 XL6019 型 220KHz、60V 、5A 開關(guān)電流升壓 /降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。 可工作在 DC5V 到 40V 輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率 M

10、OS 、XL6019 內(nèi)置固定頻 率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。 PWM 控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從 090% 之間線性變化。內(nèi)置過流保護(hù)功能與 EN 腳邏輯電平關(guān)斷功能。使用單片機(jī)控制 EN 引 腳實(shí)現(xiàn)對升壓模塊開啟與關(guān)斷。 （圖 3-3） （4）測控電路電路原理圖 測控電路如圖 3-4所示，通過電阻分壓濾波后，使用單片機(jī) ADC 采樣，得到輸入、輸出電壓，以及電流和 2.5V 基準(zhǔn)電壓，使用 TL431 產(chǎn)生 2.5V基準(zhǔn)電壓用于矯正。恒壓 恒流控制使用單片機(jī)輸出 PWM ，經(jīng)濾波后使用 LM358 跟隨，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)可減 小輸入控制端的能量消耗。使用比較器比較設(shè)定值與輸出值

11、，再控制芯片的工作狀態(tài)。 （圖 3-4） 電源 為減小高頻干擾，輔助電源使用 220V 到 9V 普通變壓 器， 經(jīng)整流濾波后使用 7812 和 HT7333 分別輸出 12V 和 3.3V 電壓為 LM358 和單片機(jī)小系統(tǒng)板供電。 2、程序的設(shè)計(jì) （1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 1、程序功能描述 根據(jù)題目要求， 軟件部分實(shí)現(xiàn)測量顯示， 切換模式，充電過壓保護(hù)， 控制調(diào)節(jié)系統(tǒng) 2、程序設(shè)計(jì)思路 （ 1）、首先進(jìn)行，按鍵， OLED 各個(gè)內(nèi)設(shè)初始化； （2）、進(jìn)行按鍵掃描； （3）、判斷模式； （4）、進(jìn)行 PWM 控制電流，讓輸出為橫流模式； （5）、掃描按鍵； （6）進(jìn)行打開光耦，讓升壓模塊

12、工作； 3程序流程圖 1、系統(tǒng)總框圖 Vin/V out 2、程序流程圖 7 四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析 4.1 測試儀器 5 位半數(shù)字萬用表， 4 位半萬用表 42 測試數(shù)據(jù)與分析 1）U2=30V條件下對電池恒流充電，電流 I1 在 1-2A 變化過程中測量值如下表： 按按 鍵次 數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I1 測 量值 （A） 1 0.99 1.01 1.06 1.07 1.10 1.12 1.14 1.16 1.17 （2） 設(shè)定 I1=2A，使 U2在 24-36V 范圍內(nèi)變化時(shí)，測量記錄 I1 的值。數(shù)據(jù)如下： U（2 V） 24 25 26 27 28 29 30

13、 31 32 36 I1（A） 1.99 1.98 1.98 1.99 1.97 1.98 1.99 1.96 2.01 1.99 （3）設(shè)定 I1=2A，在 U2=30V，測量 U1，I2 ，計(jì)算效率。數(shù)據(jù)如下： 當(dāng) I1=2A ，U2=30V時(shí)，測得 I2=1.47A ，U1=20V，由此計(jì)算效率為 97%。 （4）放電模式下，保持 U2=30V，計(jì)算效率，數(shù)據(jù)如下： 當(dāng) U2=30V時(shí)， I2=1.02A ，U1=18.9V，I1=0.63A ，由此計(jì)算效率為 98%。 （5）使 US在 32-38V 范圍內(nèi)變化時(shí) U2 記錄如下： Us/V 32 33 33 34 35 36 37 U

14、2/V 29.7 29.8 29.8 29.9 29.8 30.3 30.4 以上數(shù)據(jù)可以說明，本次設(shè)計(jì)的雙向 DCDC變換器，各項(xiàng)指標(biāo)均在題設(shè)范圍內(nèi)，是 符合要求的。 附錄 1：電路原理圖 9 /DA 輸出 / /電壓采樣數(shù)據(jù)處理 /數(shù)碼管顯示 / 輸出采樣電壓 1 /DA 輸出控制 code 有返回值 10 附錄 2：源程序 #include #include #include unsigned char ReadADC(unsigned char Chl); /AD采樣，有返回值 void DAC(unsigned char Data); void delay(unsigned char

15、 j); unsigned int datpro(void); void led(int g,int a); void out_AD_led(); void DA_out(); sbit key_1 = P34; sbit key_2= P35; sbit duan=P26; sbit wei=P27; sbit in0 = P32; unsigned char table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d ,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x00; unsigned char num=102; /DA 數(shù)模輸出變量初始值 int ma

16、in() while(1) DA_out(); DAC(num); out_AD_led(); void out_AD_led() / led(1,datpro()/1000); led(2,datpro()%1000/100); led(3,datpro()%100/10); unsigned char ReadADC(unsigned char Ch) / 讀取 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換的值， unsigned char Data; Start(); / 寫入芯片地址 Send(AddWr); Ack(); Send(0 x40|Ch);/寫入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自 行添加

17、/Ch 的值分別為 0、1、2、3，分別代表 1-4 通道 Ack(); Start(); Send(AddRd); / 讀入地址 Ack(); Data=Read();/ 讀數(shù)據(jù) Scl=0; NoAck(); Stop(); return Data; / 返回值 unsigned int datpro(void)/ unsigned int dianyah,dianyal; unsigned int dianya=0; unsigned char x; for(x=0;x4; dianyal=dianya dianya=dianyal*20+dianyah*310; return(dian

18、ya); void DA_out() / if(key_1 = 0) delay(10); while(key_1 = 0); num=num - 1; if(key_2=0) delay(10); while(key_2=0); num=num + 1; 11 void DAC(unsigned char Data) / Start(); Send(AddWr); / 寫入芯片地址 Ack(); Send(0 x40); /寫入控制位，使能 DAC 輸出 Ack(); Send(Data); /寫數(shù)據(jù) Ack(); Stop(); void led(int g,int a) / if(g=1

19、) P0 = 0Xfe ; wei = 1; wei = 0; P0 = tablea; duan = 1; delay(2); duan = 0; if(g=2) P0 = 0Xfd ; wei = 1; wei = 0; P0 = tablea|0 x80; duan = 1; delay(2); duan = 0; if(g=3) P0 = 0Xfb ; wei = 1; wei = 0; P0 = tablea; duan = 1; delay(2); duan = 0; 12 P0 = 0Xf7 ; wei = 1; wei = 0; P0 = 0 x3e; duan = 1; du

20、an = 0; / void delay(unsigned char j) unsigned int i; for(;j0;j-) for(i=0;i125;i+); #include #define AddWr 0 x90/ 寫數(shù)據(jù)地址 #define AddRd 0 x91 /讀數(shù)據(jù)地址 sbit RST=P24; / 關(guān)掉時(shí)鐘芯片輸出 sbit Sda=P20;/定義總線連接端口 sbit Scl=P21;/時(shí)鐘信號(hào) void Start(void) /啟動(dòng) IIC 總線 Sda=1; _nop_(); Scl=1; _nop_(); Sda=0; _nop_(); Scl=0; void Stop(void) /停/ 止 IIC 總線 Sda=0; _nop_(); Scl=1; _nop_