2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽雙向DCDC電源設(shè)計報告DOC

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽雙向DC-DC變換器（A題）2015年8月12日本系統(tǒng)以Buck和Boost并聯(lián)，實現(xiàn)雙向DC-DC交換，以STM32為核心控 制芯片。Buck降壓模塊使用XL4016開關(guān)降壓型轉(zhuǎn)換芯片，通過單片機(jī)閉環(huán)實 現(xiàn)恒流輸出控制。放電回路選擇Boost升壓模塊，以UC3843作為PWM控制器, 組成電壓負(fù)反饋系統(tǒng)，通過調(diào)整 PWM的占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)能自動檢 測外部電源電壓變化，在負(fù)載端電源較高時自動切換成充電模式，反之切換為放電狀態(tài)。系統(tǒng)具有過流、過壓保護(hù)功能，并可對輸出電壓、電流進(jìn)行測量和顯示。關(guān)鍵字： DC-DC交換；Buck; Boost; PWM控制A

2、bstractThe system is Buck and Boost p arallel, to achieve two-way DC-DC excha nge, STM32 as the core control chip. The Buck Buck module uses the XL4016 switch Buck con verter chip, takes the curre nt sig nal in the out put, con trols the feedback of XL4016, compi etes the closed-lo op con trol, and

3、realizes the con sta nt curre nt out put. Boost boost module uses UC3843 as the PWM con trol chip, accord ing to the out put voltage n egative feedback sig nal to adjust the PWM sig nal, the closed-lo op con trol is carried out, in order to achieve the regulator out pu t. System can automatically sw

4、itch charge and discharge mode, can also be manu ally switch. The system has the fun cti on of over curre nt and over voltage p rotect ion, and can measure and dis play the out put voltage and curre nt.Key words: bidirectio nal DC-DC con verier. Buck, boost, PWM control31系統(tǒng)方案1.1升、降壓電路的論證與選擇.1.2系統(tǒng)組成及

5、控制方法2系統(tǒng)理論分析與計算 電路設(shè)計與分析2.1.1提高效率的方法2.1.2控制回路分析控制方法分析升壓、降壓電路參數(shù)計算.2.3.1元件選取2.3.2電感計算3電路與程序設(shè)計 3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖3.1.2充電系統(tǒng)原理3.1.3放電系統(tǒng)原理3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路3.2.2程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果 2.12.22.34.1測試方案4.24.3附錄1:附錄2:測試條件與儀器測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）4.3.2測試分析與結(jié)論電路原理及實物. 主要程序片段 11雙向DC-DC變換器（A題）【本科組】1系統(tǒng)方案系統(tǒng)要求效率，所以恒壓輸出

6、、穩(wěn)流輸出都應(yīng)采用開關(guān)電路，鑒于本題目要求的功 能，系統(tǒng)主要由恒壓控制模塊、恒流控制模塊組成，另為了靈活調(diào)整輸出參數(shù)并實時監(jiān) 控系統(tǒng)工作狀態(tài)，運用單片機(jī)控制技術(shù)，還有支持系統(tǒng)控制系統(tǒng)工作的輔助電源。1.1升、降壓電路的論證與選擇方案一：米用線性電源電路。線性控制電路控制簡潔，輸出波形指標(biāo)良好，電路簡 單，但缺點是效率極低，在當(dāng)前的大功率電源應(yīng)用場合已被淘汰， 因題目對效率的要求, 這里不能采用線性電源。方案二：正激、反激變換器。電源調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)整后其效率遠(yuǎn)高 于線性電源；且有可以有靈活的參數(shù)設(shè)計滿足不同的需求； 有大量產(chǎn)品級方案可供借鑒, 實現(xiàn)起來難度不大。Buck、Boost

7、基礎(chǔ)上附方案三：當(dāng)前流行的開關(guān)電源大多基于 Buck、Boost基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或他們的結(jié) 合，在對題目進(jìn)行仔細(xì)分析后，系統(tǒng)需求的盡是升壓和降壓，在 加反饋控制就可完成任務(wù)，這樣還可以省略繁雜的變壓器參數(shù)設(shè)計，因電路簡潔實現(xiàn)起 來更加容易。并且因為使用較少的常規(guī)元件，節(jié)省成本提高可靠性，符合產(chǎn)品設(shè)計的思 路。綜合以上分析，選擇方案三。1.2系統(tǒng)組成及控制方法方案一：系統(tǒng)由Buck、Boost模塊實現(xiàn)升壓、降壓任務(wù)，各模塊所需 PWM信號的 由單片機(jī)提供，單片機(jī)AD采集實時輸出量，經(jīng)運算后通過改變占空比調(diào)整模塊工作狀 態(tài)。該方案電路最簡單，各種控制靈活，缺點有單片機(jī)運算量過大，開關(guān)信號占空比受

8、單片機(jī)限制，浮點運算的時延影響電路跟隨，另外單片機(jī)容易受到功率管開關(guān)干擾而失 靈。方案二：使用振蕩器、比較器產(chǎn)生 PWM波，由負(fù)反饋電路實現(xiàn)輸出控制，單片機(jī) 負(fù)責(zé)狀態(tài)切換和測量顯示，該方案原理易于理解，但自己裝調(diào)的PWM電路在開關(guān)時容易出現(xiàn)振鈴毛刺，直接影響了系統(tǒng)效率，并且要完善反饋控制對回饋信號要求較高。方案三：借用現(xiàn)有成熟PWM控制器，該類集成電路輸出波形好，工作穩(wěn)定，都具 備至少一個反饋控制引腳，按照廠商提供的典型電路就可裝調(diào)出應(yīng)用電路。但這類電路 一般針對專用場合設(shè)計，借用時需要較多設(shè)計計算，特別是該類芯片的反饋有極高的控 制靈敏度，在單片機(jī)參與時需要較多改動。為提高系統(tǒng)性能選擇方案三

9、，降壓回路使用XL4016，升壓回路以UC3843為核心, 控制單片機(jī)使用STM32，有很高的工作速度、豐富的外圍資源，可以很好地完成系統(tǒng) 控制任務(wù)。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1電路設(shè)計與分析2.1.1提高效率的方法在電路的設(shè)計過程中，找到了影響系統(tǒng)效率的主要因素有三點：功率變換器開關(guān)器件的開關(guān)損耗；感性元件的鐵損和銅損；控制電路的損耗。.所以提高系統(tǒng)效率，我們可以從這三方面出發(fā)。1. 開關(guān)器件的損耗不可避免，但是可以采用低功耗的開關(guān)管和二極管。采用 MOS 管做為開關(guān)管，IRF540型MOS管開關(guān)損耗小，其只在導(dǎo)通期間由開關(guān)損耗，適合頻率 比較高的工作場合。采用肖特基二極管做為續(xù)流二極管，耐壓

10、高，損耗小。如此選擇器 件可以降低開關(guān)器件的損耗，提高系統(tǒng)效率。2. 通過理論和實踐驗證，電感越大，紋波電流越小，電感損耗越大。所以在滿足要 求的條件下減小電感，并且嚴(yán)格按照要求繞制電感，減小磁隙，線圈緊湊等。3. 在焊接時合理安排布局，減少開關(guān)信號走線的連接，可以在布局布線上減小損耗。 2.1.2控制回路分析1. 恒流輸出：在輸出端檢測采樣電阻的電壓，因為信號很小，經(jīng)過20倍放大送至 單片機(jī)，單片機(jī)將處理結(jié)果，經(jīng)誤差放大器送至XL4016的反饋端FB。FB與內(nèi)部1.25V 基準(zhǔn)電壓比較，控制PWM信號，進(jìn)而達(dá)到控制輸出電流。經(jīng)過閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)控制， 可以使輸出電流恒定，起到了過流保護(hù)作用。2

11、. 自動切換：由單片機(jī)采集30歐負(fù)載兩端電壓，當(dāng)電壓低于30V時，系統(tǒng)工作在 放電模式；當(dāng)電壓高于30V時，系統(tǒng)工作在充電模式。此外，還可以手動切換工作模式。3. 液晶顯示：使用12864液晶屏，顯示電池組的充電電流和充電電壓。充電電壓是 采集XL4016輸出端的電壓，當(dāng)電壓大于 24V時，斷開充電模式。充電電流同 XL4016 反饋的電流信號，在單片機(jī)內(nèi)部換算并顯示。2.2控制方法分析UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器，電壓負(fù)反饋均衡控制，每周期由斜波 電流峰值關(guān)斷。UC3843的振蕩頻率由RT/CT引腳接的電阻電容決定，系統(tǒng)的開關(guān)頻率 為f=1.8 (RT*CT) =60KHz。P

12、WM以60 KHz的頻率控制開關(guān)管的導(dǎo)通截止，電感L儲存并釋放能量。PWM的占空比越大，開關(guān)管的導(dǎo)通時間越長，電感存儲的能量越大； 相反電感存儲的能量越小。穩(wěn)壓過程有兩個閉環(huán)系統(tǒng)來控制，分別是恒壓輸出和過流保護(hù)。恒壓輸出：在輸出端通過電阻分壓采集比例電壓信號，經(jīng)電壓誤差比較器后平滑濾波。積分器的電容大小影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，即影響指標(biāo)中輸出的動態(tài)響應(yīng)時間。當(dāng)采集的電壓小于內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓，使PWM調(diào)節(jié)器的輸出脈寬增加，從而影響輸出電 壓調(diào)節(jié)幅度。2.3升壓、降壓電路參數(shù)計算2.3.1元件選取1. MOS管的選取根據(jù)主電路中的工作電壓及電流，結(jié)合 MOS管的耐壓、耐流及損耗性能，電力晶 體管耐

13、壓高，且開關(guān)損耗大，適合工作頻率比較低的場合，電力場效應(yīng)管耐壓比較低， 但是開關(guān)損耗小，適合頻率比較高的工作場合。根據(jù)這里的情況，我們選用了?？紤]到 實際電壓電流尖峰和沖擊，電壓電流耐量分別取2.5和2倍裕量，即應(yīng)選取耐壓高于40V， 最大電流33A。實際選用IRF540型MOS管。2. 二極管的選取為降低續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降，減少功率損耗，提高效率，選用肖特基二極管作為 續(xù)流二極管。根據(jù)主回路中的工作電壓及電流，結(jié)合肖特基二極管的耐壓、耐流及損耗 性能，選用IN4746耐壓40V最大電流為30A。2.3.2電感計算1. CCM工作模式下MOS開關(guān)管占空比D的計算：UI202. 當(dāng)輸出最大負(fù)載

14、時若要使電流連續(xù)，則:L 3 2(Ui -UsD(l-D) = 2(10-0.9><0.595 _ 56，Hlof31X82X103Us為開關(guān)導(dǎo)通時的壓降和電流取樣電阻上的壓降之和，取060.9V設(shè)電感紋波電流為平均電流的 30%,即：山 L =0.31 LfCCM 尸=0-6A所以電感值:30.6X82 勺03L = (Ui-USD=(100.9F0.5=92Ah電感的設(shè)計包括磁芯材料、尺寸選擇及繞組匝數(shù)計算、線徑選用等。電路工作時重 要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對電感性能和溫升影響很大，材質(zhì) 好的磁芯如環(huán)形鐵粉磁芯，承受峰值電流能力較強(qiáng)，EMI低。而選用線徑大

15、的導(dǎo)線繞制電感，能有效降低電感的溫升。3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括DC-DC降壓充電模塊、DC-DC升壓放電模塊、 MCU控制模塊、顯示單元、轉(zhuǎn)換開關(guān)、穩(wěn)壓電源、電池組七部分組成。本系統(tǒng)可實現(xiàn)圖1系統(tǒng)總體框圖工作原理：轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)整為充電模式，直流穩(wěn)壓電源輸出大于30V電壓，經(jīng)降壓模塊以小于24V電壓、2A恒定電流為電池組充電。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)整為放電模式時，電 池組輸出電壓經(jīng)UC3843升壓模塊達(dá)到30V為負(fù)載供電。3.1.2充電系統(tǒng)原理充電系統(tǒng)那個框圖如圖2所示。圖2 充電系統(tǒng)框圖采用XL4016做Buck調(diào)整，F(xiàn)B腳接電流負(fù)反饋。由0.

16、05電阻將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)?電壓信號，并放大20倍，這時就將電流的誤差也放大，使誤差判斷器更準(zhǔn)確的判斷誤 差。單片機(jī)采集放大后的電流信號并給出基準(zhǔn)電壓，誤差放大器判斷將結(jié)果送入 FB端, 控制輸出電壓的變化，從而達(dá)到控制電流。3.1.3放電系統(tǒng)原理放電模式時，電池作為電源通過變換器提供高壓側(cè)負(fù)載能量， 輸出恒定30V電壓到 負(fù)載。因為要求恒壓輸出，所以引入電壓負(fù)反饋。反饋回的電壓信號接到UC3843電壓反饋端，與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較，控制 PWM波脈寬，因此達(dá)到控制輸出電壓的目的。圖3 放電系統(tǒng)框圖PWM控制開關(guān)管導(dǎo)通，電感以V/L速度充電，把能量儲存在L中。當(dāng)開關(guān)管截止 時，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通

17、過二極管 D把儲存的電能以（U-Vo）/L的速度釋放到輸 出電容器Cs中。輸出電壓由傳遞的能量控制，傳遞的能量通過電感電流的峰值控制。 開關(guān)信號的頻率為60KHZ，可以達(dá)到穩(wěn)定輸出30V電壓。單片機(jī)采集負(fù)載電壓，判斷如果電壓小于 30V則轉(zhuǎn)換充電模式，否則為返點模式， 因此到到自動切換目的。3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn) AD采集、鍵盤設(shè)置和顯示。1） AD采集：恒流充電電流采樣，過壓保護(hù)電壓采樣，自動切換電壓采樣。1）鍵盤實現(xiàn)功能：步進(jìn)調(diào)節(jié)充電電流。2）顯示部分：顯示充電電流、輸出電壓。2、程序設(shè)計思路單片機(jī)上電后，實時采集充電電

18、流，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行運算，通過液晶屏顯示。充 電時單片機(jī)采集到電池充電電壓，判斷如果電壓大于24V，則單片機(jī)控制開關(guān)斷開，停止充電。放電時，單片機(jī)采集負(fù)載兩端電壓，判斷電壓是否大于30V，如果大于則系統(tǒng)切換為充電模式，否則為放電模式。3.2.2程序流程圖主程序流程圖如圖所示，自動切換子流程圖如圖所示。圖4主程序流程圖圖5自動切換程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試：電流變化率測試：設(shè)定充電電流為2A，當(dāng)U2=36V時，測量充電電流值I11;U2=3OV 時，充電電流值11； U2=24V時，充電電流I12，則電流變化的調(diào)整率Szl"11土 1*100%。1 0(2

19、)電路效率測量：DC-DC變換器效率3=旦幻00%，n2=旦咒100% 。P2Pl(3)過流保護(hù)測試：在電池組上串入滑線變阻器，時充電電壓增加。判斷是否能在24V時停止充電。2、軟件仿真測試?yán)肞roteus畫出電路仿真圖，進(jìn)行電路的各項性能測試。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)軟件仿真結(jié)果與實測值進(jìn)行比較，分析差異原因，找出改進(jìn)方案。4.2測試條件與儀器測試條件：多次檢查仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：直流穩(wěn)壓電源、信號源、模擬示波器、數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、指針 式萬用表。4.3測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）1.U2=30V條件下，實現(xiàn)對電

20、池恒流充電。充電電流I1在12A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào),步進(jìn)值不大于0.1A，電流控制精度不低于5%。測量結(jié)果如表1.表1電流步進(jìn)精度測試（單位：A）設(shè)定值11.11.21.31.41.51.61.71.81.92實際值1.031.081.221.281.451.511.641.761.841.921.98精度（）31.81.62.33.50.62.53.52.21.12.測量并顯示充電電流11，在I1=12A范圍內(nèi)測量精度不低于2%。結(jié)果如表2。 表2:充電電流顯示測量（單位：A）測量值11.21.41.51.61.71.81.92顯示值1.001.211.401.511.621.691.811.9

21、02.00誤差%00.0800.061.230.590.55003.具有過充保護(hù)功能：設(shè)定|1=2A，當(dāng)U1超過閾值U1th=24±）.5V時，停止充電。測試結(jié) 果如下表3。表3:過保護(hù)功能測試充電電壓V狀態(tài)23充電24.1斷開4.電池放電時，輸出穩(wěn)壓性能測試。結(jié)果如表 4所示。 表4:放電穩(wěn)壓測試電池（V）17.5181920212223放電（V）29.730.0630.1830.1930.2130.2330.244.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：1、在充電模式下，電流步進(jìn)值不大于 0.1A，誤差精度小于5%。2、具有良好的變化率和控制精度。3、具有過程保

22、護(hù)功能和較高的變換器效率。4、放電模式時，30V穩(wěn)壓性能好?？梢宰詣忧袚Q。綜上所述，本設(shè)計達(dá)到設(shè)計要求。附錄1:電路原理及實物£!I附錄2:主要程序片段系統(tǒng)主程序mai n(void)uchar temp 4; uli nt Pi dTe mp=0;SYS_Clock_l ni t(9);Delaynit(72);SYS_JTAG_Set(0x01);ADC_G PI O_I nit();ADC_I nit();DMA_I nit();ADC_Start();DMA_E nable();DAC_I nit();TIM2_I nit();/PID_i ni t();XL_6009_I

23、nit();Delay_mS(500);Delay_mS(500);LCD_G PI O_I ni t();LCD_I nit();KEY_G pi ol nit();KEY_I nit( mode_ch on gdia n(); up datdis p_cho ngdia n_shezhi(); up dat_Dac();while(1)KEY_Task();KEY_A pp(); if(Flag_1mS) DMA_Get_AD_Avg(); Flag_1mS=0; guoyabaohu();if(Flag_200mS>=1000)Flag_200mS=0;up datdis p_ch

24、on gdia n_AD(); 按鍵控制和狀態(tài)切換:void KEY_A pp (void )TYP E_KEY_EVENT Key = KEY_V ALUE_NULL,KEY_EVENT_NULL;if( KEY_GetEve nt( & Key ) ) switch(Key.KeyValue)case KEY_VALUE_1:/switch(Key.KeyMessege)case KEY_EVENT_ UP :/if(SYS_MOD=0)/SYS_MOD=1;P Bout(12)=0;up dat_Dac(); mode_fa ngdia n();elseSYS_MOD=0;Chon gdia n_En=0;break;default:break;2:11break;case KEY_VALUE.switch(Key.Key