雙向DCDC變換器設(shè)計(jì)

雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)科專業(yè)： 電氣指導(dǎo)教師： 摘要二十一世紀(jì)以來，電力電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，開關(guān)電源逐漸由滿足電力轉(zhuǎn)換需求向提高電能轉(zhuǎn)換效率，減小體積，提高工作頻率的目標(biāo)發(fā)展雙向DC/DC變換器是典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備，可以滿足絕大部分充放電場合的需求，因此設(shè)計(jì)了基于雙向Buck/boost拓?fù)涞淖儞Q器，當(dāng)該電路正向使用時，即使用Buck電路對電池進(jìn)行充電，反向使用時，即使用Boost電路電池進(jìn)行放電。通過比較分析開關(guān)電源常用拓?fù)?，對其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對該系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對電路中的主要元件的器件選型進(jìn)行了分析和總體設(shè)計(jì)，最后，根據(jù)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)物制作，并根據(jù)實(shí)際電路的情況對元器件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所設(shè)計(jì)電路基本滿足要求。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源雙向DC/DC雙向Buck/BoostSTC12C5A60S2AbstractSincethe21stcentury,powerelectronicstechnologyh asdevelopedrapidl y.Switchingpowersupplieshavegraduallydevelopedfrommeetingtheneedsofpowerconversiontoimprovingtheefficiencyofpowerconversion,reducingthesize,andincreasingtheworkingfrequency.Withthepopularizationofportabledevices,therequirementsforportablechargeanddischargebatteriesarealsoincreasing. Therefore, aconverterbasedonabidirectional Buck/boosttopologyisdesigned.Whenthecircuitisusedintheforwarddirection,thebatteryischargedusingtheBuckcircuit.Whenusedinreverse,theBoostcircuitbatteryisusedfordischarge.Bycomparingandanalyzingthecommontopologiesofswitchingpowersupplies,adetailedanalysisofitsworkingprinciple,thedesignofthehardwareci rcuitofthesystem,andtheanal ysisandoveralldesignofthedeviceselectionofthemaincomponentsofthecircuit,andfinally,accordingtothedesignThecircuitismadeinkind,andthecomponentparametersareadjustedaccordingtotheactualcircuit.Thedesignedcircuitbasicallymeetstherequirements.Keywords SwitchingpowersupplybidirectionalDC/DCBidirectional Buck/Boost STC12C5A60S2目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 IAbstract II第1章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1選題背景及意義 1\o"CurrentDocument"國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1\o"CurrentDocument"第2章拓?fù)涞谋容^和分析 3\o"CurrentDocument"主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo) 3\o"CurrentDocument"2.2雙向DC/DC變換器基本原理 3\o"CurrentDocument"2.3雙向DC/DC變換器分類 4\o"CurrentDocument"2.4拓?fù)涞谋容^與選擇 5\o"CurrentDocument"2.4.1雙向Buck-Boost變換器原理 52.4.2雙向全橋變換器原理 6\o"CurrentDocument"2.5雙向Buck-Boost變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"第3章電路設(shè)計(jì)及器件選型 8\o"CurrentDocument"主電路設(shè)計(jì)及器件選型 83.1.1雙向Buck-Boost變換器電路設(shè)計(jì) 83.1.2 開關(guān)管的選擇 103.1.3 電流檢測電路 103.1.4電感的計(jì)算與材料選擇 12\o"CurrentDocument"3.2控制電路設(shè)計(jì)及器件選型 143.2.1 控制芯片選型 143.2.2 控制芯片簡介 15\o"CurrentDocument"3.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì)及器件選型 18\o"CurrentDocument"3.4輔助電源設(shè)計(jì) 19\o"CurrentDocument"第4章軟件設(shè)計(jì) 20綜合考慮，軟件的設(shè)計(jì)語言選擇C語言。 20\o"CurrentDocument"4.1軟件調(diào)試平臺 20\o"CurrentDocument"4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21\o"CurrentDocument"第五章仿真及結(jié)果分析 23\o"CurrentDocument"5.1仿真軟件介紹 23\o"CurrentDocument"5.2仿真結(jié)果及結(jié)果分析 25\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 29致謝 31\o"CurrentDocument"附錄I原理圖 32\o"CurrentDocument"附錄II部分主要代碼 32CONTENTSAbstract(Chinese)Abstract(English)錯誤!未定義書簽。錯誤!Abstract(Chinese)Abstract(English)Chapter1Introduction TOC\o"1-5"\h\zBackgroundandsignificanceoftopicselection. 1Developmentstatusathomeandabroad 1Chapter2ComparisonandAnalysisofTopology 3Maindesigncontentandexpectedgoals 3BasicprincipleofbidirectionalDC/DCconverter 3ClassificationofbidirectionalDC/DCconverters 4Topologycomparisonandselection 5PrincipleofabidirectionalBuck-Boostconverter 5Principleofbidirectionalfull-bridgeconverter 6Chapter3CircuitDesignandDeviceSelection 8Maincircuitdesignanddeviceselection 8Maincircuitdesign 8Selectionofswitchtube 10Currentdetectioncircuit 10Inductancecalculationandmaterialselection 123.2Controlcircuitdesignanddeviceselection 14Selectionofcontrolchip 14Introductiontothecontrolchip 14Drivecircuitdesignanddeviceselection 17Auxiliarypowersupplydesign 18Chapter4SoftwareDesign 204.1Softwaredebuggingplatform 20Systemsoftwaredesign. 21ChapterVSimulationandResultsAnalysis. 235.1IntroductiontoSimulationSoftware. 23Simulationresultsandresultanalysis. 25References. 29Acknowledgements. 31AppendixISchematicDiagram 33AppendixIISomeMainProcedures 37選題背景及意義隨著人均收入的不斷提高和工業(yè)的不不斷發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ钪械挠秒娫O(shè)備也逐漸增多，工業(yè)用電也對電源提出了更高的要求，因此，電力電子技術(shù)也受到了廣泛的關(guān)注。在科技高速發(fā)展的今日，環(huán)境保護(hù)依舊是不可忽視的話題。時代在發(fā)展，能源在消耗，節(jié)約能源作為重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容早已被提上日程。電子設(shè)備的發(fā)達(dá)使節(jié)能的目光聚集在提供電能的設(shè)備上，電源是電子設(shè)備的供電環(huán)節(jié)不可或缺的核心，并且在現(xiàn)階段的使用中，用電設(shè)備對電源的要求不斷提高，與此同時應(yīng)該設(shè)計(jì)出既滿足用電設(shè)備需求，又能達(dá)到節(jié)能效果的電源。開關(guān)電源逐漸成為了生活和工業(yè)生產(chǎn)中穩(wěn)壓電源的中堅(jiān)力量，開關(guān)電源無論是從結(jié)構(gòu)上還是性能上，都與傳統(tǒng)的線性電源具有極大的差別，其工作原理是采用場效應(yīng)管作為開關(guān)，通過PWM信號對場效應(yīng)管的開關(guān)進(jìn)行控制減小了電源電路的能量消耗，可保持相對的穩(wěn)定性和可靠性，此特性滿足用電設(shè)備所需的穩(wěn)定輸出電壓。通常DC/DC變換器都是單向工作的，主要是因?yàn)楣β赎P(guān)管都是單向工作的，主電路中有二極管進(jìn)行整流，由于二極管單向?qū)щ姷奶匦裕瑢?dǎo)致電路中的能量只能單向流動，隨著社會的不斷進(jìn)步和科技的飛速發(fā)展，雙向直流不間斷電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等場合對DC/DC變換器的需求逐漸增肌，為減輕系統(tǒng)的體積和重量，節(jié)約成本，電池充放電系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代初，為減輕人造衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)的體積和重量，美國學(xué)者提出用Buck/Boost型雙向DC/DC變換器代替蓄電池充電器和放電器。此后人們對人造衛(wèi)星用蓄電池調(diào)節(jié)器進(jìn)行了深入研究，并使之進(jìn)入了實(shí)用階段。按照雙向DC/DC變換器的構(gòu)成方法，雙向DC/DC變換器可以由單向DC/DC變換器演變而來，按輸入和輸出之間是否有電氣隔離，或功率開關(guān)器件的個數(shù)進(jìn)行分類。雙向直流變換器按開關(guān)轉(zhuǎn)換條件，也可分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩類。橋式直流變換器有兩類：一類是由雙電壓源型橋式直流變換器構(gòu)成，主變壓器兩側(cè)電路結(jié)構(gòu)對稱；一類是由電壓源型橋式直流變換器和電流源型橋式直流變換器構(gòu)成。這兩種橋式變換器均可具有軟開關(guān)特性?？刂品绞接袃煞N：①變壓器兩側(cè)開關(guān)管相移控制，變壓器有等效電感，通過控制兩側(cè)變換單元之間的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)兩個電源之間的能量傳輸大小和方向；②只對變壓器一側(cè)開關(guān)管進(jìn)行控制，來調(diào)節(jié)向另一側(cè)傳遞能量的大小，另一側(cè)開關(guān)管用其反并聯(lián)二極管整流，工作原理類似單向直流變換器。雙向DC/DC變換器是電力電子變換器的組成部分，其發(fā)展方向基本相同。但雙向DC/DC變換器是電力電子變換器的一個新分支，是伴隨航空航天、電動汽車等新的無污染能源科技的發(fā)展而發(fā)展起來的，其前景十分廣闊。第2章拓?fù)涞谋容^和分析主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)通過查閱大量的資料以及結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了雙向Buck/Boost變換器，輸入電壓直流30~36V條件下，實(shí)現(xiàn)對電池（電池組由5節(jié)18650型、容量為2000~3000mAh的鋰離子電池串聯(lián)組成）恒流充電。充電電流再1~2A范圍可調(diào)，將裝置設(shè)定為放電模式，保持輸出30±0.5V，帶30歐姆阻性負(fù)載。2.2雙向DC/DC變換器基本原理單向DC/DC變換器，能量只能從一端輸入，從另一端輸出，如圖2-1所示，這類變換器的主功率傳輸通路上一般都有二極管這個環(huán)節(jié)，因此變換器傳遞能量時只能是單向的，即圖2-1中，能量只能從V1經(jīng)變換器傳輸?shù)絍2，而不能反向流動.。然而對于有些需要能量可雙向流動的場合（V1和V2）可以是直流電壓源或直流有源負(fù)載，它們的電壓極性保持不變。能量有時可從V2傳輸?shù)絍1，有時可從V1傳輸?shù)絍2，如果仍使用單向DC/DC變換器，則需要將兩個單向DC/DC變換器反并聯(lián).但是這樣電路就會變得復(fù)雜化，實(shí)際上可以將這兩個單向變換器的功能由一個變換器來完成，即是雙向DC/DC變換器。雙向DC/DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能量傳遞方向的直流變換器。雙向DC/DC變換器置于電源VI和V2之間，控制其間的能量傳遞。I1和I2分別是V1和V2的平均輸入電流。根據(jù)實(shí)際需要，可以通過雙向DC/DC變換器的控制器控制功率流向：使能量從V1傳輸?shù)絍2,稱為正向工作模式，此時I1為負(fù)，I2為正；使能量從V2傳輸?shù)絍1,稱為反向工作模式，此時I1為正，I2為負(fù)。

V1IlIiV1IlIi0I2單向DC/DC變換器——rd——+I20V2圖2-1單向DC/DC變換器I,0I2 0I1?2■-W+h<0單向DC/DC變換器——>1——-4l2〉0V21 I20I,0圖2-2雙向DC/DC變換器2.3雙向DC/DC變換器分類按照雙向DC/DC變換器的構(gòu)成方法，雙向DC/DC變換器可以由單向DC/DC變換器演變而來，按輸入和輸出之間是否有電氣隔離，或功率開關(guān)器件的個數(shù)進(jìn)行分類。非隔離型雙向DC/DC變換器有：雙向Buck-Boost、雙向Cuk等，這類變換器只能實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動，并不能改變電壓的極性，故稱為電流雙向變換器，即在電壓和電流為坐標(biāo)的平面內(nèi)，僅電流可正可負(fù)，變換器工作在第I和第II象限。電壓雙向變換器則只能實(shí)現(xiàn)電壓極性的變換，電流方向不變，變換器工作在第I和第W象限。橋式直流變換器既能實(shí)現(xiàn)電流的正與負(fù)，也能改變輸出電壓的極性，為四象限直流變換器。因而這種四象限直流變換器對直流電機(jī)電樞供電時，可以使直流電機(jī)在四個象限區(qū)域工作。隔離型雙向DC/DC變換器有：反激式雙向DC/DC變換器，正激式雙向DC/DC變換器，雙向半橋DC/DC變換器，雙向推挽DC/DC變換器，雙向全橋DC/DC變換器等。不僅同一種類型的隔離直流變換器可構(gòu)成隔離型雙向DC/DC變換器，而且不同形式的隔離直流變換器也可組合成隔離型雙

向DC/DC變換器。2.4拓?fù)涞谋容^與選擇2.4.1雙向Buck-Boost變換器原理雙向Buck-Boost變換器是非隔離型DC/DC變換器，使用獨(dú)立的Buck和Boost電路并聯(lián)組成，充電時使用Buck變換器，放電時使用Boost變換器,如圖2-3所示。Buck方向Boost方向Buck方向Boost方向圖2-3雙向Buck-BoostDC/DC變換器拓?fù)鋸碾娐吠負(fù)渖现v，由于二極管的存在，能量只能單方向傳輸。雙向Buck-BoostDC/DC變換器它有兩種簡單的工作方式：Q2保持關(guān)斷，Q1采用PWM方式工作，變換器實(shí)際為一個Buck電路，能量從V1傳輸?shù)絍2Q1保持關(guān)斷，Q2采用PWM方式工作，變換器實(shí)際為一個Boost電路，能量從V2傳輸?shù)絍1。與傳統(tǒng)的采用雙-單向DC/DC變換器來達(dá)到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向DC/DC變換器應(yīng)用一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體開關(guān)器件數(shù)目少，且可以更快的進(jìn)行功率傳輸方向的切換。而且，一般雙向DC/DC變換器更方便在現(xiàn)有的電路上使用同步整流工作方式，有利于降低通態(tài)損耗。總之，雙向DC/DC變換器具有高效率、體積小、動態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢。雙向全橋變換器原理在非隔離型雙向Buck-BoostDC/DC變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中插入高頻變壓器，即可構(gòu)成隔離型Buck-BoostDC/DC變換器拓?fù)?。其中高頻整流/逆變單元和高頻逆變/整流單元可以由全橋、半橋、推挽等電路拓?fù)錁?gòu)成。圖2-4的整流/逆變單元和逆變/整流單元均是全橋結(jié)構(gòu)，該變換器有兩種工作模式：當(dāng)供電電源VI正常時，開關(guān)K1閉合，VI提供母線負(fù)載R1能量，同時通過變換器給蓄電池V2充電，稱為充電模式；當(dāng)供電電源V1故障時開關(guān)K1斷開，蓄電池V2作為應(yīng)急供電電源通過變換器升壓后提供高壓側(cè)母線負(fù)載R1能量，稱為放電模式。充電模式時，開關(guān)管Q1?Q4有驅(qū)動信號，并采用移相PWM控制方式，而開關(guān)管Q5?Q8則不加驅(qū)動信號，只利用其反并聯(lián)二極管D5?D8實(shí)現(xiàn)輸出全橋整流。放電模式時，開關(guān)管Q5?Q8有驅(qū)動信號，當(dāng)四個開關(guān)管同時導(dǎo)通時電感Lf儲能，當(dāng)對開關(guān)管Q5、Q8（或Q6、Q7）同時導(dǎo)通時，向高壓側(cè)負(fù)載傳遞能量，實(shí)現(xiàn)變換器的升壓功能，而開關(guān)管Q1?Q4則沒有驅(qū)動信號，只利用其反并聯(lián)二極管D1?D4實(shí)現(xiàn)輸出全橋整流。移相PWM控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件漏感儲存的能量對功率開關(guān)管的兩端并聯(lián)的輸出電容充放電來使開關(guān)管兩端的電壓下降到零，使電路的四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，在緩沖電容的作用下零電壓關(guān)斷，從而有效地降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾，為變換器裝置提高開關(guān)頻率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的條件。同時還保持了一般全橋電路中的結(jié)構(gòu)簡單、控制方式簡潔、開關(guān)頻率恒定、元器件的電壓電流應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。圖2-4隔離型雙向全橋DC/DC變換器

結(jié)合此次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，輸入及輸出電壓較低，沒有電氣隔離的必要輸入和輸出電壓差較小，因此選用雙向Buck-Boost變換器作為本次設(shè)計(jì)的主電路拓?fù)洹?.5雙向Buck-Boost變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變換電路，雙向Buck-Boost變換器由直流輸入電路，雙向Buck-Boost控制電路，反饋電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。變換電路，輔助電源圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖反饋電路直流穩(wěn)壓電源反饋電路電池組

輔助電源圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖反饋電路直流穩(wěn)壓電源反饋電路電池組第3章電路設(shè)計(jì)及器件選型主電路設(shè)計(jì)及器件選型3.1.1雙向Buck-Boost變換器電路設(shè)計(jì)雙向Buck-Boost變換器電路如圖3-2所示，由濾波電容，開關(guān)管，電感，霍爾元件組成，有兩種簡單的工作方式，充電時：Q2保持關(guān)斷，Q1采用PWM控制開通和關(guān)斷的方式工作。放電時，Q1保持關(guān)斷，Q2采用PWM控制開通和關(guān)斷的方式工作。JI2IGND圖JI2IGND圖3-2主電路圖充電時，整個電路相當(dāng)于一個Buck變換器，該電路使用Q1作為開關(guān)，Q2保持關(guān)斷，Q2內(nèi)的寄生二極管相當(dāng)于Buck電路的續(xù)流二極管。Buck變換器正常工作時，開關(guān)管Q1被控制電路所發(fā)出的PWM波控制，重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷，輸入電壓波形等效為方波，通過LC濾波器的濾波，最終獲得近似于直流的輸出電壓V。在連續(xù)導(dǎo)通模式下的Buck電路若已經(jīng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，則可以out判定輸入電壓、輸出電壓、輸出負(fù)載電流以及占空比固定且不會發(fā)生變化。Buck連續(xù)導(dǎo)通模式下分為兩個狀態(tài)：一是開關(guān)管Q1導(dǎo)通、開關(guān)管Q2寄生二極管關(guān)斷；二是開關(guān)管Q1關(guān)斷、開關(guān)管Q2寄生二極管D導(dǎo)通。定義開關(guān)管Q導(dǎo)通持續(xù)時間為ton，開關(guān)管S關(guān)斷持續(xù)時間為toff,—個周期時間為T，占空比記做D。開關(guān)管Q1導(dǎo)通，開關(guān)管Q2寄生二極管D由于承受反向電壓而截止，等效

的電路如圖3-5所示。電感兩端的承受正向電壓，在連續(xù)模式下電感電流逐漸增加的穩(wěn)態(tài)波形如圖3-4所示。由于作用于電感上的電壓值是恒定的，因此，電感電流呈線性增長。圖3-3Buck變換器開關(guān)Q1導(dǎo)通時的等效電路圖3-4工作于連續(xù)模式下的電路的波形開關(guān)管Q1關(guān)斷，等效電路如圖3-5所示，由于電感上流過的電流不能突變，電流從開關(guān)管Q轉(zhuǎn)移到Q2的寄生二極管D上。電感兩端承受反向電壓，使Q2的寄生二極管D導(dǎo)通，忽略Q2的寄生二極管D的壓降，電感左端相當(dāng)于接地，而電感右端電壓仍為Vout，實(shí)現(xiàn)降壓輸出。Vout—廿 G~11 fvTT1 PZ-C1<圖3-5開關(guān)管Q1關(guān)斷時的等效電路電路處于放電模式時，整個電路相當(dāng)于Boost變換器，此時開關(guān)管Q1保持關(guān)斷狀態(tài)，Q1相當(dāng)于續(xù)流二極管。當(dāng)開關(guān)管Q2導(dǎo)通，輸入電壓流過電感L1、Q2、電容C1，隨著不斷充電，電感上的電流線性增加，到達(dá)一定時候電感儲存了一定能量；在這過程當(dāng)中，Q1的寄生二極管反偏截止，由電容C2給負(fù)載提供能量，維持負(fù)載工作；當(dāng)開關(guān)管不導(dǎo)通時候，此時Q2相當(dāng)于斷開，由于電感有反向電動勢作用，電感的電流不能瞬時突變，而是會緩慢的逐漸放電。由于原來的電回路已經(jīng)斷開，電感只能通過Q1的寄生二極管、負(fù)載、C1回路放電，也就是說電感開始給電容C2充電，加上給C2充電之前已經(jīng)有C2提供電壓，因此電容兩端電壓升高，實(shí)現(xiàn)升壓輸出。3.1.2開關(guān)管的選擇開關(guān)管的選擇主要有三個參數(shù)，耐壓值Vds,額定電流Ids,通態(tài)電阻Rds，為降低電路中能量損耗，需要選擇通態(tài)內(nèi)阻小的MOS管，通常來說，MOS管的耐壓值越低，通態(tài)電阻越小，因此不宜選擇耐壓值較高的MOS管，因此，本次設(shè)計(jì)雙向Buck-Boost變換器的MOS管耐壓值選擇1.1倍輸入電壓，輸入電壓為36V時，應(yīng)選用耐壓值39.6V的MOS管，因此，選擇型號為IRF3205的MOS管，耐壓值55V，通態(tài)電阻8毫歐，額定電流110A，遠(yuǎn)大于電路中峰值電流的值。3.1.3電流檢測電路電流檢測可分為隔離型和非隔離型，非隔離型是直接在回路中串入阻值較小的取樣電阻，將電阻上的電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆８綦x型通常采用電流互感器或霍爾電流傳感器進(jìn)行取樣，但是電流互感器只能對交流電流進(jìn)行取樣，霍爾電流傳感器不僅能測量交流電流，還能測量直流電流。因此，提出了如下三種設(shè)計(jì)方案：方案一：選用串聯(lián)采樣電阻。由于測量電阻上流過電流，電阻消耗電能，所以電阻會發(fā)熱。電阻發(fā)熱會使得電阻值上升。發(fā)熱越嚴(yán)重，電阻増大的越多。電阻的増大，使得測量變得非線性，產(chǎn)生誤差。因此采樣電阻一般采用康銅絲而不是碳膜電阻，康銅絲的電阻值熱穩(wěn)定性好，溫度上升時較普通電阻增大得小串電阻的方法雖然簡單，但是由于電阻會消耗電能，在追求高效率時采樣電阻不能取的太大，所以采樣電阻應(yīng)盡可能小。采樣電阻小，又帶來一個問題，因?yàn)殚_關(guān)電源開關(guān)頻率高，電流回路中會耦合進(jìn)來非常多的開關(guān)噪聲或稱為干擾，這些噪聲表現(xiàn)為電壓噪聲，所以通常采樣電阻上的電壓并非是理想的U=IR。而是疊加了非常多的噪聲電壓，也就是說采樣電阻小的時候信噪比低。由于采樣電阻兩端的電壓非常小，加入低通濾波器效果不明顯，且低通濾波器帶來測量的非線性和相移，得不償失。更糟糕的是，通常采樣電阻上的電壓都很小，在給單片機(jī)測量前，一般需要經(jīng)過放大，放大器放大的不僅是U=IR，也放大紋波電壓，如果單片機(jī)直接用AD讀取，會有很大的誤差，誤差與放大器的放大倍數(shù)成正比。所以提高信噪比的方法是増大采樣電阻，或者需要單片機(jī)附加濾波算法。同時在本次設(shè)計(jì)中中，電流雙向流動，假設(shè)其中一個方向單片機(jī)采到的電壓為正電壓，那么另外一個方向則為負(fù)電壓，負(fù)電壓的采集需要具有負(fù)電壓采集功能的AD芯片或者單片機(jī)，否則直接輸入到AD芯片或單片機(jī)，則有可能燒掉AD的輸入口。方案一：使用專用芯片。某些廠家開發(fā)出了電流測量專用芯片，如TI的INA282，應(yīng)用電路如圖3-9所示。INA282需要配合采樣電阻使用，INA282相當(dāng)于一個放大器，放大倍數(shù)為50W/V，也就是說采樣電阻兩端電壓為0.1V時輸出為5V。因?yàn)樯婕暗讲蓸与娮?，采樣電阻小的時候，同樣存在信噪比低的問題。解決辦法還是増大采樣電阻的阻值，但會降低效率。這個芯片好處是集成了放大器，同時還能加入偏置電壓，偏置電壓的存在，可以使得單片機(jī)可以判斷電流的方向。經(jīng)過實(shí)際的使用，當(dāng)電流流過該芯片上的電流較大時，芯片發(fā)熱嚴(yán)重，而且隨著芯片的溫度上升，誤差越來越大，無法滿足題目中的精度要求。圖3-2INA282內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖方案三：霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅鲗儆诟綦x型傳感器，其內(nèi)部有一個霍爾元件，而普通的電流傳感器時基于變壓器耦合的原理，磁場方向必須是變化的，所以電流互感器只能測量交流電流，霍爾元件的存在使霍爾電流傳感器可以測量直流電流。綜上所述，將選用方案三霍爾電流傳感器作為電流檢測器件，霍爾電流傳感器內(nèi)部集成了放大器，放大器的同相輸入端接有2.5V的齊納二極管，使其具有2.5V的輸出偏置電壓。由于最大輸出電壓為2A，根據(jù)霍爾電流傳感器技術(shù)手冊中連接方式與量程之間的關(guān)系可知，選用匝數(shù)為3的連接方式，此時，正向電流為2A時，放大器輸出電流為2.5V+0.625V；反向電流為2A時，放大器輸出電壓為2.5-0.625V 。電流大小與放大器輸出電壓的關(guān)系由式3-1可知：3-13-20.625I3-13-2Vout= +2.52I=2(Vout-2.5)0.625其中，I的正負(fù)表示電流方向。由上述分析可以看出，霍爾電流測量元件線性度好，與主電路隔離，因?yàn)椴皇遣捎貌蓸与娮璧姆椒?，電路損耗較小，輸出信號信噪比高，缺點(diǎn)是溫度適用范圍不大，價格較使用采樣電阻高。3.1.4電感的計(jì)算與材料選擇雙向Buck-Boost 變換器的升壓和降壓共用一個電感，一般計(jì)算公式都是計(jì)算出電感的最小值，所以本次設(shè)計(jì)中的電感，既要滿足充電時Buck的最小電感，也要滿足放電時Boost的最小電感。在開關(guān)電源中，開關(guān)頻率越低開關(guān)損耗越小，但是輸出紋波越大，由于本次設(shè)計(jì)中，輸出端接入電池組，電池組可以等效為一個很大的電容，因此本次設(shè)計(jì)輸出紋波電壓值不做約束。當(dāng)電路工作在Buck電路中，即充電模式，設(shè)V為輸入電壓，V為in outBuck輸出電壓，根據(jù)電池組18650充電電壓可知V=18.5V，I為輸出電流,outonI為in輸入電流，F(xiàn)為開關(guān)頻率50KZ，i7為電感電流峰值，A為電感電流紋波值,lpklAv為輸出紋波電壓，L為電感元件的電感值，D為開關(guān)導(dǎo)通占空比，根據(jù)out電感元件在一個開關(guān)周期內(nèi)的伏秒特性，根據(jù)電感伏秒積平衡可知：(V-V)DT—V(1-D)Tinout outV—DVoutin(3-3)若按效率百分之百計(jì)算可知I與I的關(guān)系如下:out inVI二VIoutoninin—V. I—IonVinD

out(3-4)根據(jù)電感電流伏秒積平衡可知:Ai—（v.-JDT—（v.-Vt）——d-D）iL LF LF(3-5)由（3-5）可以看出，電感電流紋波值只與占空比有關(guān)，設(shè)最大紋波電流為30%輸出電流,則:DV 18.5062D—―ou^— —0.62V 30in(3-6)Ai —30%I—Vout(1-Dmin)—0.6Almax on LF(3-7)由電感電流計(jì)算公式可知i電感電流峰值：lpki—I +-Ai—I+lpkout2lout寫(1一D)-1+ALx-2+06-2.3A2LF on2 2(3-8)電感L取值公式計(jì)算感值，則Buck電路電感感值：V(1-D)L—18?5(1—。血)-23什HAi xF 0.6x50x10slmax(3-9)同理，當(dāng)電路處于放電模式，即Boost電路時，輸入為18.5V，輸出為30V，紋波電壓0.5V，帶30歐姆負(fù)載，即輸出電流I=1A，根據(jù)電感元件在on一個開關(guān)周期內(nèi)的伏秒特性，根據(jù)電感伏秒積平衡可知：VV=f (3-10)out1-D設(shè)最大紋波電流為30%輸出電流,此時電感電流紋波值為(3-11)(3-12)(3-13)V(3-11)(3-12)(3-13)D=f__in= =0.38V 30outAi =30%I=0.3Almax on電感L取值公式計(jì)算感值，則Boost電路電感感值：丁VD(1-D)2 30x0.38x(1-0.38)20.3x50x103L=0.3x50x1032AixF -————lmax因此，電感選擇292微亨。目前，可在變壓器中使用的磁性材料有鐵氧體，磁粉芯，非晶態(tài)，超微晶，納米晶，硅鋼片等磁性材料［9］，其中，非晶態(tài)，超微晶，納米晶通常使用在中低頻開關(guān)電源變壓器中，通常頻率小于40KHZ，硅鋼片用作工頻變壓器，因此，本次設(shè)計(jì)中選用鐵氧體作為磁性材料。鐵氧體常見的磁芯形狀有CU型磁罐，E型常規(guī)磁芯，扁平化E型磁芯，工型磁芯，E型磁芯價格低，窗口面積大，適用于功率密度較低的場合中，扁平化E型磁芯作為E型常規(guī)磁芯的升級版，價格比E型磁芯略高，通常要求做成沉降式結(jié)構(gòu)的電源中，工型磁芯窗口面積比EE型磁芯小，但Ae值較大，適用于高功率密度的場合中。本次設(shè)計(jì)制作電感，因此選用CU型磁罐，材料選擇PC40?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)及器件選型3.2.1控制芯片選型按照題目要求，控制芯片主要用于輸出PWM，通過霍爾電流元件對電流檢測，調(diào)節(jié)輸出PWM占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出等［7］。方案一：開關(guān)電源常用控制芯片，如SG3525，UC3843等。由于開關(guān)電源電路中常用控制芯片輸出PWM通常依賴主電路中各個元件參數(shù)及反饋電壓或電流，由于反饋電壓或電流取樣位置固定，無法從Buck變換器切換到Boost變換器模式，因此，需要使用可編程控制芯片進(jìn)行控制。方案二：選用12系列單片機(jī)為控制核心。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮容短，邏輯處理能力強(qiáng)，可通過按鍵切換工作模式。綜上，本次設(shè)計(jì)將采用STC12C5A60S2作為控制芯片。3.2.2控制芯片簡介STC12C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)。它是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合，各個引腳功能如下：VCC：供電電壓;GND：接地;P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每個管腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳寫“1”時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部電位必須被拉高;P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，電位被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收;P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號;P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）,也是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）同時P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號;RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高平時間;ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效;PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機(jī)器周期PSEN兩次有效。但在訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn);EA/VPP:當(dāng)EA保持低電平時，訪問外部ROM;注意加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)EA端保持高電平時，訪問內(nèi)部ROM。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）;XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入;XTAL2：來自反向振蕩器的輸出引腳圖如圖3-3所示：

2345623456789101113/141516 廣！士1819201P10VCCPllPOOP12P01P13P02P14P03P15P04P16P05P17P06RESET_07P30/RXDEA/VPP31/TXDALE/PP32/INTOPSENP33/INT1P27P34/T0P26P35/T^P25P36WRP24P37/RDP23X2P22X1P21GNDP20U14039383736353433323130A292827262524232221STC89C52圖3-3引腳圖單片機(jī)最小系統(tǒng)該系統(tǒng)的主控電路由單片機(jī)的最小系統(tǒng)組成，主要是由復(fù)位電路和時鐘電路兩部分組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括主芯片，復(fù)位電路和時鐘震蕩電路如圖3-4和圖3-5所示。其中Y1為12MHz晶振，與30Pf電容并聯(lián)，產(chǎn)生1us的脈沖信號作為單片機(jī)的“心臟”部分。復(fù)位電路是開關(guān)與10uf電容并聯(lián)組成的上電自動復(fù)位電路，在RST端為高電平時單片機(jī)清零，也即開關(guān)按下會產(chǎn)生清零信號。

圖3-5復(fù)位電路驅(qū)動電路設(shè)計(jì)及器件選型驅(qū)動電路的作用是驅(qū)動MOS管，使得MOS管按照給定的控制信號進(jìn)行開通或者關(guān)斷。主電路中使用MOS管代替開關(guān)管，需要兩路驅(qū)動，因此選用IR2104半橋驅(qū)動芯片，該芯片自帶520ns死區(qū)時間，死區(qū)時間可以防止兩個MOS管直通，保證電路安全，本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路圖如圖3-6所示。+12D1PWM1SD—8VccVB7HOD1PWM1SD—8VccVB7HOINHO6SDVSCtqCOMLO7SR21014IR21090.1uF半C3GND圖3-6驅(qū)動電路在圖3-6中，PWM1是來自單片機(jī)的PWM控制信號，頻率為50KHZ。SD為關(guān)斷，低電平有效(低電平關(guān)斷控制信號)，這個管腳的存在可以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能，當(dāng)單片機(jī)檢測到U1大24V時，給SD端低電平，即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)的功能。在正常使用中，SD端要給高電平，如SD端浮空，則芯片處于閉鎖狀態(tài)，沒有PWM輸出。D1和C3實(shí)現(xiàn)續(xù)流功能，在底端MOS(Q2)開通的時候，電流流過D1、C3和底端MOS管，給C3充電，當(dāng)Q2關(guān)斷時，VS的電壓近似為輸出電壓，疊加上電容上的電壓，可以得到比芯片輸入電壓高的電壓，D1的存在就是防止電容的電量返回到芯片的輸入電壓+12V。高端M0S管(Q1)開通電荷由C3提供。就這樣C3在不斷的充電和放電，D1也在不斷的導(dǎo)通和截至，開關(guān)頻率與PWM頻率相同。所以D1最好選用肖特基二極管C3取值需大于100nF，寧大勿小，但是太大了會帶來體積和成本的上升，因此取得適當(dāng)即可。驅(qū)動電阻一般是不能去掉的，但是在本設(shè)計(jì)中，為了使PWM的邊緣更陡銷，開關(guān)速度更快，減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，可直接去掉，實(shí)踐可行。一般來說，半橋芯片的驅(qū)動能力越大越好，駆動能力越大，給MOS管的PWM波邊緣越陡峭。同樣的開關(guān)頻率下，開關(guān)損耗得以減小。開關(guān)頻率越高，需要的驅(qū)動能力越大，對C3的要求也越高。

輔助電源設(shè)計(jì)輔助電源的作用是給控制芯片，驅(qū)動芯片，霍爾電流元件供電，STC12單片機(jī)供電電壓為3.6-5V，霍爾電流元件和驅(qū)動芯片供電電壓12V，因此，選用7805和7812三端集成穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓，對芯片進(jìn)行供電。三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛?？梢赃\(yùn)用本地調(diào)節(jié)來消除噪聲影響，解決了與單點(diǎn)調(diào)節(jié)相關(guān)的分散問題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%。輔助電源電路如圖3-7所示。V^CU4+12VINOUTGNDC11LO.luFoC12V^CU4+12VINOUTGNDC11LO.luFoC12330uFGNDlm7812GNDGND圖3-7輔助電源第4章軟件設(shè)計(jì)對于指令系統(tǒng)兼容STC12系列的單片機(jī)，其較為常用的編程語言有C和匯編語言。C語言是一種結(jié)構(gòu)化編程語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。C語言在硬件結(jié)構(gòu)上僅要求對單片機(jī)存儲器等硬件結(jié)構(gòu)有初步了解，寄存器分配，不同存儲器尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理。C語言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可以在不同種類的單片機(jī)之間相互移植。程序可劃分為不同函數(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，可讀性強(qiáng)。C語言提供的庫包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。C語言作為一種方便、容易掌握的語言得到了廣泛的應(yīng)用，是目前單片機(jī)編程中應(yīng)用最多的語言之一［19］。匯編語言同樣在單片機(jī)編程中得到了廣泛的應(yīng)用，其具有簡單實(shí)用，控制靈活，實(shí)時性強(qiáng)，程序效率高等特點(diǎn)。匯編語言有著極強(qiáng)的硬件控制能力用其它的高級語言所無法控制的軟硬件細(xì)節(jié)，在匯編語言中都可以實(shí)現(xiàn)，但是編程復(fù)雜。綜合考慮，軟件的設(shè)計(jì)語言選擇C語言。軟件調(diào)試平臺KeilforC51是美國KeilSoftware公司出品的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)［12］。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用而且KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilforC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細(xì)介紹KeilforC51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。C51開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的源程序要變?yōu)镃51可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。隨著C51開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件除了致力于單片機(jī)的編程開發(fā)平臺外，還針對目前最流行C51開發(fā)項(xiàng)目出品了Keilfor51軟件平臺以及支持在線調(diào)試的串口燒寫［20］。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用C語言編程，當(dāng)電路給電池充電時，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，根據(jù)反饋電壓及電流檢測反饋回的值進(jìn)行調(diào)整輸出PWM占空比；按下放電按鈕后，啟動放電模式，Q2導(dǎo)通，Q2關(guān)閉。可通過按鍵設(shè)定輸出電流值的大小，系統(tǒng)軟件控制充電及放電流程圖如圖4-1，圖4-2所示。低于低于，入電壓是否超過3(是輸出電壓高于18.5V-還是低于18.5V'輸出電流高于還是-低于設(shè)定值？?咼于充電模式咼于低于低于，入電壓是否超過3(是輸出電壓高于18.5V-還是低于18.5V'輸出電流高于還是-低于設(shè)定值？?咼于充電模式咼于減小輸出占空比增大輸出占空比PWM控制Q1,Q2關(guān)斷關(guān)斷輸出圖4-1充電電路流程圖圖4-2放電電路流程圖第五章仿真及結(jié)果分析5.1仿真軟件介紹仿真軟件選用MatlabR2017b中的simulink進(jìn)行模型搭建仿真，simulink具有很好的擴(kuò)展性，可以通過搭建仿真模型對各種芯片進(jìn)行仿真，而其他電子仿真軟件雖然提供了封裝好的芯片，但是這些芯片的封裝需要由芯片廠商提供，并不能覆蓋市面上所有常用的芯片，因此在某些情況下，simulink的功能比其他仿真軟件更強(qiáng)大。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。仿真模型搭建根據(jù)本文綜合分析雙向DC/DC變換器的原理，搭建了仿真模型，并根據(jù)設(shè)計(jì)的要求對電路的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，仿真電路圖如圖5-1，圖5-2所示，其中，圖5-1是搭建的控制芯片模型，圖5-2是對電路搭建的仿真模型。k■■I一生*2_J-■4S!*QJE-y+*-<圖5-1控制芯片仿真模型k■■I一生*2_J-■4S!*QJE-y+*-<圖5-1控制芯片仿真模型圖5-2仿真電路圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求對仿真時間參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，0-2秒是對電池進(jìn)行充電，2秒后切換電路狀態(tài)，2.01秒-3秒時電池放電，帶30歐姆負(fù)載。

|匕|BlockParameters:RepeatingSequencelRepeatingtable(mask)(link)Outpui且rep?且tingsequencentnumhersb卩pcifisdinatahleoftime-vaJuepairs.Va]uesoftimeshouldbemonotonicallyjncreasiiig.lfara[net?rETimevalues:[022.013]Outputvalues:[303000]UKCancel HelpUKCancel Help圖5-3仿真參數(shù)設(shè)置5.2仿真結(jié)果及結(jié)果分析充電及放電時驅(qū)動波形如圖5-4和5-5所示，由圖可以看出電路充電時，

PWM占空比約為0.6，放電時占空比約為0.3，與計(jì)算出的理論值幾乎相同。圖5-6為電池電壓及電流波形，由圖可以看出，前2秒電池處于充電狀態(tài)，輸入電流恒定為1A，輸入電壓約為20.1V，2秒后電池處于放電狀態(tài)，輸出電流約為1.5A，輸出電壓約為19.63V，符合設(shè)計(jì)要求。輸出電流約為1.5A，輸出電壓約為19.63V，符合設(shè)計(jì)要求。MOS1驅(qū)動波型圖5-4充電圖5-5放電MOS2驅(qū)動波型圖5-7為buck輸入和Boost輸出波形，其中0-2秒為電池充電狀態(tài)，此時輸入電壓為30V,2-3秒為Boost電路的輸出波形，由圖可以看出，2秒時切換電路狀態(tài)，由給電池充電轉(zhuǎn)換為電池放電，在2S時出現(xiàn)電壓降為0后電壓逐漸增加，并在2.2S左右到達(dá)峰值，隨后平穩(wěn)，說明電路在自行調(diào)節(jié)輸出占空比，使其穩(wěn)定在30V，由此可以判斷，整個電路的設(shè)計(jì)和仿真符合設(shè)計(jì)要求。圖5-6電池電壓和電流波形

結(jié)論本文介紹了開關(guān)電源的發(fā)展與必要性，比較了雙向DC/DC變換器拓?fù)涞男阅芴攸c(diǎn)，通過比較最終選擇了雙向Buck/Boost為主拓?fù)?，具體闡述了主電路以及控制電路是如何工作的，計(jì)算了各元件設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過simulink仿真實(shí)現(xiàn)了電路恒壓輸出的功能。本文仿真輸出的幾個關(guān)鍵點(diǎn)波形全部正常，且輸出電壓值也符合要求，這代表該設(shè)計(jì)基本符合要求。參考文獻(xiàn)張先進(jìn)，周平森，王慧貞.電源技術(shù)應(yīng)用[M].電機(jī)工程，2004.曹海洋，張玉成，朱啟偉等.EMI濾波器技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用與研究[J]．電源學(xué)報，2012．張怡.高功率因數(shù)反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與仿真[J].山西科技，2012.馬慧娟.基于TOPSwitch的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008.⑸許水平，施蔚加.基于TOP256Y的開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009.⑹李全文，周剛，茍春濤，何婉.多用途開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報，2010．張占松，蔡宜三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999沙占友，王曉軍.單片開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，2000(8)AbrahamI.Pressman SwitchingPowerSupplyDesign[M]SecondEdition，1997沙占友，馬洪濤，睢丙東等.開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用技巧[J].北京：中國電力出版社，2009曾兀彧，史曉紅.開關(guān)電源安全保護(hù)電路剖析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2008張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998電子高頻變壓器專業(yè)委員會.電子高頻變壓器設(shè)計(jì)手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1998[14葉惠貞，楊興州.開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990.[15]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2001.[16]GEORGECCHRYSSIS著，梁迪安譯高頻交換式電源供應(yīng)器原理與設(shè)計(jì)(第二版)[M].樊衡.開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾信號的虛擬儀器測量[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007.MartyBrownPOWERSUPPLYCOOKBOOK[M]BEIJING：CHINAMACHINEPRESS，2004李全文，周剛，茍春濤，何婉.多用途開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報，2010姜淑華.基于單片機(jī)的高精度數(shù)控電流源的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2012.[20]盧燦.正激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].集成電路通訊，2007.張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.趙同賀，劉軍.開關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，

2007.ShrivastavaA,SinghB.SingleStageSingleSwitchPowerSuppl y(S4PS)DesignforLowPowerHB-LEDLighting[J].InternationalJournalofEmergingElectricPowerS ystems,2013,14(1):33-40.SuH,JinYG,ZhengPM.DesignofPowerSupplyModewithLowandVarienceonInformationSciences,Machinery,(SuH,JinYG,ZhengPM.DesignofPowerSupplyModewithLowandVarienceonInformationSciences,Machinery,(5):43-45.LEDLightingSystemBasedonACBusableFrequency[C]//InternationalConferMaterialsandEnergy ，2015，12ystem／EEETranseditonystem／EEETransediton．Transl．ByZhiqiangE1ectronicsIndustry．Wang，2014，Beijing：PublishingHouseofFukudaS，EndohT．ControlMethodforaCombinedActiveFiltersSEmployingaCurrentSourceConverterandaHighPassFilter[J]ONIA，20153，V01．31(3)：590-597．AbrahamI．Pressman．Switchingpowersupplydesign【M]．Secondtoalleviatetherectifiercurrentmodeboosttoalleviatetherectifiercurrentmodeboost，16(5)：649—657．QunZhao．Asimpleandeffectivemethodreverse—recoveryproblemincontinuousconverters[J]．IEEETransonPowerElectronics2001李愛文.現(xiàn)代通信基礎(chǔ)開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京.科學(xué)出版社,2001．劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京.電子工業(yè)出版社,2008．王兆安，黃俊