2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽雙向DCDC電源設(shè)計(jì)報(bào)告(共15頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽雙向DC-DC變換器（A題）2015年8月12日專心-專注-專業(yè)摘 要 本系統(tǒng)以Buck和Boost并聯(lián)，實(shí)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(guò)單片機(jī)閉環(huán)實(shí)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(guò)調(diào)整PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)外部電源電壓變化，在負(fù)載端電源較高時(shí)自動(dòng)切換成充電模式，反之切換為放電狀態(tài)。系統(tǒng)具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，并可對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行測(cè)量和顯示。 關(guān)鍵字： D

2、C-DC交換；Buck；Boost；PWM控制 AbstractThe system is Buck and Boost parallel, to achieve two-way DC-DC exchange, STM32 as the core control chip. The Buck Buck module uses the XL4016 switch Buck converter chip, takes the current signal in the output, controls the feedback of XL4016, completes the closed-loo

3、p control, and realizes the constant current output. Boost boost module uses UC3843 as the PWM control chip, according to the output voltage negative feedback signal to adjust the PWM signal, the closed-loop control is carried out, in order to achieve the regulator output. System can automatically s

4、witch charge and discharge mode, can also be manually switch. The system has the function of over current and over voltage protection, and can measure and display the output voltage and current.Key words: bidirectional DC-DC converter, Buck, boost, PWM control目 錄雙向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

5、、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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，運(yùn)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：采用線性電源電路。線性控制電路控制簡(jiǎn)潔，輸出波形指標(biāo)良好，電路簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是效率極低，在當(dāng)前的大功率電源應(yīng)用場(chǎng)合已被淘汰，因題目對(duì)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(jì)滿足不同的需求；有大量產(chǎn)品級(jí)方案可供借鑒，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度不大。方案三：當(dāng)前流行的開關(guān)電源大多基于

6、Buck、Boost基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或他們的結(jié)合，在對(duì)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Buck、Boost基礎(chǔ)上附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(jì)，因電路簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加容易。并且因?yàn)槭褂幂^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(jì)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(shí)現(xiàn)升壓、降壓任務(wù)，各模塊所需PWM信號(hào)的由單片機(jī)提供，單片機(jī)AD采集實(shí)時(shí)輸出量，經(jīng)運(yùn)算后通過(guò)改變占空比調(diào)整模塊工作狀態(tài)。該方案電路最簡(jiǎn)單，各種控制靈活，缺點(diǎn)有單片機(jī)運(yùn)算量過(guò)大，開關(guān)信號(hào)占空比受單片機(jī)限制，浮點(diǎn)運(yùn)算的時(shí)延影響

7、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(shí)現(xiàn)輸出控制，單片機(jī)負(fù)責(zé)狀態(tài)切換和測(cè)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(shí)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(duì)回饋信號(hào)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(gè)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(duì)專用場(chǎng)合設(shè)計(jì)，借用時(shí)需要較多設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)需要較多改動(dòng)。為提高系統(tǒng)性能選擇方案三，降壓回路使用XL4016，升壓回路以UC

8、3843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(jì)算2.1 電路設(shè)計(jì)與分析 2.1.1 提高效率的方法在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，找到了影響系統(tǒng)效率的主要因素有三點(diǎn)：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(chǎng)合。采用肖特基二極管做為續(xù)流二極管，耐壓高，損耗小。如此選擇器件可以降低開關(guān)器件的損耗，提

9、高系統(tǒng)效率。2.通過(guò)理論和實(shí)踐驗(yàn)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(shí)合理安排布局，減少開關(guān)信號(hào)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(cè)采樣電阻的電壓，因?yàn)樾盘?hào)很小，經(jīng)過(guò)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(hào)，進(jìn)而達(dá)到控制輸出電流。經(jīng)過(guò)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(guò)流保護(hù)作用。2.自動(dòng)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(shí)，系

10、統(tǒng)工作在放電模式；當(dāng)電壓高于30V時(shí)，系統(tǒng)工作在充電模式。此外，還可以手動(dòng)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(shí)，斷開充電模式。充電電流同XL4016反饋的電流信號(hào)，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。PWM以60 KHz的頻率控制開關(guān)管的導(dǎo)通截止，電感L儲(chǔ)存并釋放能量。PWM的占空比越

11、大，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，電感存儲(chǔ)的能量越大；相反電感存儲(chǔ)的能量越小。穩(wěn)壓過(guò)程有兩個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)控制，分別是恒壓輸出和過(guò)流保護(hù)。恒壓輸出：在輸出端通過(guò)電阻分壓采集比例電壓信號(hào)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(jì)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，電力晶體管耐壓高，且開關(guān)損耗大，適合工作頻率比較低的場(chǎng)合，電力場(chǎng)效應(yīng)管耐壓比較低，但是開關(guān)損耗小，適

12、合頻率比較高的工作場(chǎng)合。根據(jù)這里的情況，我們選用了?？紤]到實(shí)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(shí)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(jì)算1.CCM工作模式下MOS開關(guān)管占空比D的計(jì)算：2.當(dāng)輸出最大負(fù)載時(shí)若要使電流連續(xù)，則：為開關(guān)導(dǎo)通時(shí)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3

13、0%，即： 所以電感值：電感的設(shè)計(jì)包括磁芯材料、尺寸選擇及繞組匝數(shù)計(jì)算、線徑選用等。電路工作時(shí)重要的是避免電感飽和、溫升過(guò)高。磁芯和線徑的選擇對(duì)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(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)充放電模式選擇。DC-DC降壓充電模塊DC-DC升壓放電模塊MCU控制電池組直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換開

14、關(guān)顯示圖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(shí)，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(gè)框圖如圖2所示。Buck調(diào)整器PWM控制器MCU控制誤差比較放大器VinVout采樣電阻圖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0.05電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并放大20倍，這時(shí)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(hào)并給出基準(zhǔn)電壓，誤差放大器判斷將結(jié)果送入

15、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(shí)，電池作為電源通過(guò)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?yàn)橐蠛銐狠敵?，所以引入電壓?fù)反饋。反饋回的電壓信號(hào)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。開關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)采樣電阻V1Vo電池組負(fù)載圖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?jī)?chǔ)存在L中。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過(guò)二極管D把儲(chǔ)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(guò)電感電流的峰值控制。開關(guān)信號(hào)的頻率

16、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(diǎn)模式，因此到到自動(dòng)切換目的。3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)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(guò)壓保護(hù)電壓采樣，自動(dòng)切換電壓采樣。1）鍵盤實(shí)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(jì)思路單片機(jī)上電后，實(shí)時(shí)采集充電電流，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)液晶屏顯示。充電時(shí)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(shí)，單片機(jī)采集負(fù)載兩端

17、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(dòng)切換子流程圖如圖所示。開始系統(tǒng)初始化3路AD采集數(shù)據(jù)運(yùn)算調(diào)制充電PWM模式切換顯示 NNYY切換到充電電壓采樣放電電壓<30V開始結(jié)束充電壓>24V切換到放電圖4 主程序流程圖 圖5 自動(dòng)切換程序流程圖4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案1、硬件測(cè)試：電流變化率測(cè)試：設(shè)定充電電流為2A，當(dāng)U2=36V時(shí)，測(cè)量充電電流值I11；U2=30V時(shí)，充電電流值I1；U2=24V時(shí)，充電電流I12，則電流變化的調(diào)整率SI1=|*100%。（2）電路效率測(cè)量：DC-DC變換器

18、效率，。（3）過(guò)流保護(hù)測(cè)試：在電池組上串入滑線變阻器，時(shí)充電電壓增加。判斷是否能在24V時(shí)停止充電。2、軟件仿真測(cè)試?yán)胮roteus畫出電路仿真圖，進(jìn)行電路的各項(xiàng)性能測(cè)試。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)軟件仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，分析差異原因，找出改進(jìn)方案。4.2 測(cè)試條件與儀器測(cè)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(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、模擬示波器、數(shù)字示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、指針式萬(wàn)用表。4.3 測(cè)試結(jié)果及分析4.3.1測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))1.U2=30V條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池恒流充電。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

19、流控制精度不低于5%。測(cè)量結(jié)果如表1.表1電流步進(jìn)精度測(cè)試 （單位：A）設(shè)定值11.11.21.31.41.51.61.71.81.92實(shí)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(cè)量并顯示充電電流I1，在I1=12A范圍內(nèi)測(cè)量精度不低于2%。結(jié)果如表2。表2：充電電流顯示測(cè)量 （單位：A）測(cè)量值11.21.41.51.61.71.81.92顯示值1.001.211.401.511.621.691.811.902.00誤差%00.0800.061.230.590.55003

20、具有過(guò)充保護(hù)功能：設(shè)定I1=2A，當(dāng)U1超過(guò)閾值U1th=24±0.5V時(shí)，停止充電。測(cè)試結(jié)果如下表3。表3：過(guò)保護(hù)功能測(cè)試 充電電壓V狀態(tài)23充電24.1斷開4.電池放電時(shí)，輸出穩(wěn)壓性能測(cè)試。結(jié)果如表4所示。表4：放電穩(wěn)壓測(cè)試電池（V）17.5181920212223放電（V）29.730.0630.1830.1930.2130.2330.244.3.2測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)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(guò)程保護(hù)功能和較高的變換器效率。4、放電模式時(shí)，30V穩(wěn)壓性能好?？梢宰詣?dòng)切換。

21、綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。附錄1：電路原理及實(shí)物附錄2：主要程序片段系統(tǒng)主程序main(void)uchar temp4;ulint PidTemp=0; SYS_Clock_Init(9); Delay_Init(72);SYS_JTAG_Set(0x01);ADC_GPIO_Init();ADC_Init();DMA_Init();ADC_Start(); DMA_Enable( );DAC_Init();TIM2_Init(); /PID_init(); XL_6009_Init();Delay_mS(500);Delay_mS(500);LCD_GPIO_Init();LCD_In

22、it();KEY_GpioInit( );KEY_Init( mode_chongdian(); updatdisp_chongdian_shezhi();updat_Dac();while(1) KEY_Task();KEY_App();if(Flag_1mS)DMA_Get_AD_Avg();Flag_1mS=0;guoyabaohu();if(Flag_200mS>=1000)Flag_200mS=0;updatdisp_chongdian_AD(); 按鍵控制和狀態(tài)切換：void KEY_App( void ) TYPE_KEY_EVENT Key = KEY_VALUE_NUL

23、L,KEY_EVENT_NULL; if( KEY_GetEvent( &Key ) ) switch(Key.KeyValue) case KEY_VALUE_1:/ switch(Key.KeyMessege) case KEY_EVENT_UP :/ if(SYS_MOD=0)/SYS_MOD=1;PBout(12)=0; Chongdian_En=0; /updat_Dac();mode_fangdian();elseSYS_MOD=0;Chongdian_En=0; break; default: break; break; case KEY_VALUE_2:/ switch(Key.KeyMessege) case KEY_EVENT_UP :/ switch(SYS_MOD)case 0:if(Chongdian_En=1