基于BuckBooost電路的雙向DCDC變換電路

1、1221102015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽雙向DC-DC變換器（A題）【本科組】2015年08月15號摘 要 雙向DC/DC變換器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是一種可在雙象限運(yùn)行的直流變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳輸。隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，雙向DC/DC變換器已經(jīng)大量應(yīng)用到電動汽車、太陽能電池陣、不間斷電源和分布式電站等領(lǐng)域，其作為DC/DC變換器的一種新的形式，勢必會在開關(guān)電源領(lǐng)域上占據(jù)越來越重要的地位。由于在需要使用雙向DC/DC變換器的場合很大程度上減輕系統(tǒng)的體積重量及成本，所以具有重要研究價值。既然題目要求是作用于可充電鋰電池的雙向的D

2、C-DC變換器，肯定包括降壓、升壓、電壓可調(diào)、恒流、等要求?？紤]到題目對效率的要求，我們選擇降壓Buck電路，升壓Boost電路，并用反饋電路和運(yùn)放電路來實現(xiàn)電壓可調(diào)和恒流等要求，通過一系列的測試和實驗幾大量的計算，基本上能完成題目的大部分要求。關(guān)鍵詞： 雙向DC/DC變換器；雙向Buck-Boost變換器；效率；恒流穩(wěn)壓 目 錄1系統(tǒng)方案41.1 DC-DC雙向變換器模塊的論證與選擇4 1.2 測控電路系統(tǒng)的論證與選擇42 系統(tǒng)理論分析與計算42.1 雙向Buck-BOOST主拓電路的分析42.2 電感電流連續(xù)工作原理和基本關(guān)系52.3 控制方法與參數(shù)計算63 電路與程序設(shè)計73.1 電路的

3、設(shè)計73.1.1 系統(tǒng)總體框圖73.1.2 給電池組充電Buck電路模塊73.1.3 電池放電Boost升壓模塊83.1.4 測控模塊電路原理圖83.1.5 電源93.2 程序設(shè)計94 測試方案與測試結(jié)果154.1 測試方案154.2 測試條件與儀器154.3 測試結(jié)果及分析154.3.1 測試結(jié)果(數(shù)據(jù))154.3.2 測試分析與結(jié)論161系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由DC-DC雙向變換器模塊、測控電路模塊及輔助電源模塊構(gòu)成，分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 DC-DC雙向變換器模塊的論證與選擇方案一：采用大功率的線性穩(wěn)壓芯片搭建穩(wěn)壓電路，使充電壓恒定，在輸入電壓高于充電合適電壓時，實現(xiàn)對輸入電壓的降

4、壓，為電池組充電。該電路外圍簡單，穩(wěn)壓充電不需要軟件控制，簡單方便，但轉(zhuǎn)換效率低。同時采用采用基于NE555的普通升壓電路，這種電路設(shè)計簡單，成本低，但轉(zhuǎn)換效率較低、電池電壓利用率低、輸出功率小 ，更不能不易與基于大功穩(wěn)壓芯片所構(gòu)成的穩(wěn)壓電路結(jié)合構(gòu)成DC-DC雙向變換器。方案二：采用Buck-Boost電路，選擇合適的開關(guān)管、續(xù)流二極管，電能的轉(zhuǎn)化效率高，且電路簡單，功耗小，穩(wěn)壓范圍寬，能很好的實現(xiàn)輸入降壓，輸出升壓。但輸入、輸出電流皆有脈動，使得對輸入電源有電磁 干擾且輸出紋波較大。所以實際應(yīng)用時常加有輸入， 輸出濾波器。方案一簡單輕便但會影響電源的效率，而方案二中的Buck電路能很好保對證

5、電源的降壓要就對電池組充電，并且使電池組的充電率滿足題目要求，所以采用方案二。1.2 測控電路系統(tǒng)的論證與選擇 方案一：采用基于51單片機(jī)的數(shù)控電路，測控精度高，但不能連續(xù)可調(diào)，制作過程復(fù)雜，工作量大，并且造價高，維護(hù)復(fù)雜。 方案二： 基于UC3843的測控電路，電路簡單，效率高，可靠性高，但隨著負(fù)載的增大，輸出波形變得不穩(wěn)。 綜合考慮采用采用方案二。2 系統(tǒng)理論分析與計算2.1 雙向Buck-BOOST主拓電路的分析 Buck-Boost變換器是輸出電壓可低于或高于輸入電壓的一種單管直流變換器，其主電路與Buck或 Boost變換器所用的元器件相同，也有開關(guān)管 、二極管、電感、和電容構(gòu)成。如

6、下圖1所示。Buck-Boost變換器也有電感電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式。圖2是電感電流連續(xù)時的主要波形。圖3是Buck-Boost變換器在不同工作狀態(tài)下的等效電路圖。電感電流連續(xù)工作室時，有兩種工作模式，圖(3a)的開關(guān)管S1導(dǎo)通時的工作模式，圖3（b）是開關(guān)管S1關(guān)斷、L續(xù)流時的工作模式。圖1 主電路圖2電感電流連續(xù)工作波形 S1導(dǎo)通 S1斷開圖3 Buck-Boost不同開關(guān)模式下等效電路2.2 電感電流連續(xù)工作原理和基本關(guān)系電感電流連續(xù)工作時，Buck/Boost變換器有開關(guān)管S1導(dǎo)通和開關(guān)管S1關(guān)斷兩種工作模態(tài)。 在開關(guān)模態(tài)10： t=0時，S1導(dǎo)通，電源電壓加載

7、電感上，電感電流線性增長，二極管D戒指，負(fù)載電流由電容提供：t=時，電感電流增加到最大值，S1關(guān)斷。在S1導(dǎo)通期間電感電流增加量在開關(guān)模態(tài)2  T: 穩(wěn)態(tài)工作時，S1導(dǎo)通期間的增長量應(yīng)等于S1關(guān)斷期間的減小量，或作用在電感上電壓的伏秒面積為零，有：由(2-8)式，若=0.5，則=；若<0.5，則<；反之，>0.5，>。設(shè)變換器沒有損耗，則輸入電流平均值和輸出電流平均值之比為開關(guān)管S1截止時，加于集電極和發(fā)射極間電壓為輸入電壓和輸出電壓之和，這也是二極管D截止時所承受的電壓由圖1-2可見，電感電流平均值等于S1和D導(dǎo)通期間流過的電流平均值和之

8、和，即：開關(guān)管S1和二極管D電流的最大值、等于電感電流最大值。S1導(dǎo)通期間，電容電壓的變化量即輸出電壓脈動D由S1導(dǎo)通期間放電量=計算，因=，故：2.3 控制方法與參數(shù)計算1.Boost電路控制方法：負(fù)反饋。2.Buck電路控制方法：正反饋+負(fù)反饋。3.振蕩頻率計算公式：4.反饋深度：TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源、可編程輸出電壓:2.5V36V、電壓參考誤差：±0.4% ，典型值25（TL431B）、低動態(tài)輸出阻抗:0.22(典型值)、溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度范圍、負(fù)載電流1.0毫安-100毫安。全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦，典型值為50 ppm/，最大輸入電壓

9、為37V、最大工作電流150mA、內(nèi)基準(zhǔn)電壓為2.495V(25°C)。5.放大器選用基于Lm358的放大電路，放大倍數(shù)的計算公式： 6.軟件算法：15f2k60s2單片機(jī)是高速/低功耗的單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，時鐘頻率在12MHz以下時，復(fù)位腳可直接接地。工作電壓：5.5V - 3.8V（5V 單片機(jī)）/3.8V - 2.4V（3V 單片機(jī)）、工作頻率范圍：0-40MHz，相當(dāng)于普通8051的 080MHz、用戶應(yīng)用程序空間4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16。K/32K/40K/48K/56K/ 6

10、1K/字節(jié)、片上集成 1280字節(jié)/512/256字節(jié) RAM、工作溫度范圍：0-75/-40-+85。提高效率的方法：提高頻率，改善電路結(jié)構(gòu)。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)總體框圖如圖四所示： 測控電路雙向DC-DC變換電路 電池組直流穩(wěn)壓電源放電放電 圖4系統(tǒng)總體框圖3.1.2 給電池組充電Buck電路模塊 降壓充電模塊原理圖如圖5（附錄）所示。 圖5降壓buck電路原理圖3.1.3 電池放電Boost升壓模塊 電池放電升壓Boost電路原理圖如圖6所示。圖6 升壓Boost電路3.1.4 測控模塊電路原理圖 測控模塊電路如下圖 圖7。 圖7 測控電

11、路圖 3.1.5 電源 系統(tǒng)需要直流穩(wěn)壓電源供電，采用基于LM7805和LM7815的直流穩(wěn)壓電路給單片機(jī)、放大器供電。3.2程序設(shè)計采用基于STC15F2K60S2的單片機(jī)系統(tǒng)，來控制電壓和電流的顯示，和調(diào)節(jié)數(shù)字電位計。源程序如下：#include "STC15Fxxxx.h"#include "intrins.h"#include "codetab.h"#include "LQ12864.h"#include "stdio.h"#include "adc.h"#inclu

12、de"PCA.h"#defineTimer0_Reload(65536UL -(MAIN_Fosc / 1000)/Timer 0 中斷頻率, 1000次/秒#define P1n_pure_input(bitn)P1M1 |= (bitn),P1M0 &= (bitn)typedef unsigned char BYTE;sbit X9313W_INC = P32; /計數(shù)脈沖輸入端，下降沿觸發(fā)sbit X9313W_UPDN = P33; /方向，高電平加、低電平減sbit X9313W_CS = P34; /片選,低電平有效/*（STC12C5608AD 11

13、MHZ z=1時精確延時1ms）*/void delayms(unsigned int z)unsigned int x,y;for(x=z; x>0; x-)for(y=1848; y>0; y-);void X9313W_SetVol(unsigned char RNumber) unsigned char i; X9313W_INC = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 0; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 0; /先調(diào)到0 for(i=0;i<32;i+) X9313W_INC = 1; _nop_();

14、 _nop_(); X9313W_INC = 0; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 1; /調(diào)到指定值 for(i=0;i<RNumber;i+) X9313W_INC=1; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC=0; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC = 1; /電阻值保存 _nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC = 1;void X9313W_IncVol(

15、unsigned char RNumber) unsigned char i; X9313W_INC = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 0; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 1; /加RNumber個指定值 for(i=0;i<RNumber;i+) X9313W_INC=1; _nop_();_nop_(); X9313W_INC=0; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC = 1; /電阻值保存 _nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 1; _nop_(); _nop_();

16、X9313W_UPDN = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC = 1; void X9313W_DecVol(unsigned char RNumber) unsigned char i; X9313W_INC = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 0; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 0; /減RNumber個指定值 for(i=0;i<RNumber;i+) X9313W_INC=1; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC=0; _nop_(); _nop_(); X93

17、13W_INC = 1; /電阻值保存_nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC = 1;/*本地函數(shù)聲明*/void DelayXus(BYTE n);/* 外部函數(shù)聲明和外部變量聲明 */ bitB_1ms;/1ms標(biāo)志 u16msecond; u16Bandgap; unsigned int step; /* PWM配置函數(shù) */* ADC配置函數(shù) */voidADC_config(void)ADC_InitTypeDefADC_InitS

18、tructure;/結(jié)構(gòu)定義ADC_InitStructure.ADC_Px = ADC_P1_All;/設(shè)置要做ADC的IO,ADC_P10 ADC_P17(或操作),ADC_P1_AllADC_InitStructure.ADC_Speed = ADC_180T;/ADC速度ADC_90T,ADC_180T,ADC_360T,ADC_540TADC_InitStructure.ADC_Power = ENABLE;/ADC功率允許/關(guān)閉ENABLE,DISABLEADC_InitStructure.ADC_AdjResult = ADC_RES_H8L2;/ADC結(jié)果調(diào)整,ADC_RES_

19、H2L8,ADC_RES_H8L2ADC_InitStructure.ADC_Polity = PolityLow;/優(yōu)先級設(shè)置PolityHigh,PolityLowADC_InitStructure.ADC_Interrupt = DISABLE;/中斷允許ENABLE,DISABLEADC_Inilize(&ADC_InitStructure);/初始化ADC_PowerControl(ENABLE);/單獨的ADC電源操作函數(shù), ENABLE或DISABLE/P1n_pure_input(1<<0) |(1<<1) |(1<<2) | (1&

20、lt;<3)|(1<<4) | (1<<5)|(1<<6) | (1<<7);/把ADC口設(shè)置為高阻輸入/*/*主函數(shù)*/void main(void) / unsigned char i; / int a;u16j; unsigned char c10; LCD_Init(); /oled 初始化 ADC_config(); Timer0_1T();Timer0_AsTimer();Timer0_16bitAutoReload();Timer0_Load(Timer0_Reload);Timer0_InterruptEnable();Ti

21、mer0_Run();EA = 1;/打開總中斷 LCD_CLS();LCD_P8x16Str(0,0,"step:");LCD_P8x16Str(0,2,"AD0:");LCD_P8x16Str(0,4,"AD1:");X9313W_SetVol(0);step=0; while(1) if(B_1ms)/1ms到/LCD_CLS(); B_1ms = 0;if(+msecond >= 100)/300ms到msecond = 0;/ LCD_P8x16Str(40,3,"abc"); / Get_ADC1

22、0bitResult(0);Get_ADC10bitResult(0);j = Get_ADC10bitResult(4);/ad通道0sprintf(c,"%.2fA",j*5.0/1024.0); LCD_P8x16Str(40,2,c);j = Get_ADC10bitResult(5);/ad 通道1sprintf(c,"%.2fV",j*30.0/1024.0); LCD_P8x16Str(40,4,c);if(P24=0)step+;if(step=32)step=0;if(P25=0)if(step-=0)step=31;X9313W_Se

23、tVol(step);sprintf(c,"%2d",step);LCD_P8x16Str(40,0,c);delayms(100); /*/ /*/* Timer0 1ms中斷函數(shù) */void timer0 (void) interrupt TIMER0_VECTOR/DisplayScan();/1ms掃描顯示一位B_1ms = 1;/1ms標(biāo)志4 測試方案與測試結(jié)果 4.1 測試方案 1、硬件測試 ，測試電路的恒流恒壓以及功率的設(shè)置。2、軟件仿真測試，測試程序 功能的完整性，以及程序電流電壓能滿足對電路電流電壓調(diào)節(jié)和顯示精度的控制。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)，連接單片機(jī)和電源電路，測試兩者功能的完整性，通過對硬件電路和程序參數(shù)的調(diào)整使其能很好的完成對電壓電流的控制節(jié)及顯示 功能。 4.2 測試條件與儀器 測試條件：檢查多次，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：高精度的數(shù)字毫伏表，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)) 基礎(chǔ)部分測試結(jié)果(數(shù)據(jù))1、恒流充電測試由基本要求1：在=30V、充電電流在在12A范圍內(nèi)可調(diào)條件下，設(shè)置初始值為步進(jìn)A，步進(jìn)值為0.1A,測試數(shù)據(jù)如表1.表 1電流調(diào)節(jié)測試次數(shù)1234567理論值A(chǔ)1.101