DCDC雙向變換器

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 DC-DC雙向變換器（A題） 完成人：石永?。?電子三班 201340602081） 2015年8月14摘 要 本系統(tǒng)以同步整流升降壓電路為主，采用MSP430F5525單片機(jī)為控制核心。正向可以作為BUCK降壓電路為電池充電，反向則可作為BOOST升壓電路放電，經(jīng)AD采樣后由單片機(jī)調(diào)整PWM波輸出，實現(xiàn)反饋控制。實驗結(jié)果表明：當(dāng)輸入在2436V條件下，充電時，充電恒流值十分穩(wěn)定，電流控制精度為0.5%，充電電流變化率不大于0.5%，效率可高達(dá)96%。充電時，變換器效率高達(dá)97%。此外本系統(tǒng)還有充電電流顯示，過充保護(hù)，自動切換等功能。關(guān)鍵詞：DC-DC雙向變換

2、；MSP430F5525；PWM反饋；恒流充電；同步整流13目錄1. 方案論證311雙向變換電路的論證與選擇31.2控制方案的論證與選擇41.3驅(qū)動方案的論證與選擇421電路的設(shè)計42.1.1系統(tǒng)總體框圖42.1.2 電流檢測子系統(tǒng)電路原理圖52.1.3 驅(qū)動模塊電路原理圖52.2程序的設(shè)計62.2.1 程序功能描述62.2.2 程序流程圖63. 系統(tǒng)理論分析與計算73.1主電路的分析73.1.1同步整流電路的分析73.1.2同步整流電路參數(shù)計算83.2恒流充電方案的分析84. 測試方案與測試結(jié)果94.1測試儀器94.2測試方案94.3測試結(jié)果及分析105體會心得106參考文獻(xiàn)10附錄1：電路

3、原理圖11 雙向DC-DC變換器（A題）【本科組】1. 方案論證11雙向變換電路的論證與選擇方案一：采用BUCK與BOOST電路分段組合，如圖1-1-1和1-1-2。當(dāng)給電池充電時，采用BUCK降壓電路，為鋰電池充電。當(dāng)電池放電時，采用BOOST拓?fù)?，實現(xiàn)升壓，將放電電壓穩(wěn)定在30V。然而，由于該方案由多個電路組合，采樣和控制比較復(fù)雜且效率低。 圖1-1-1 BUCK電路 圖 1-1-2 BOOST電路方案二：采用同步整流拓?fù)?，如圖1-1-3。該方案采用兩個MOS管交替導(dǎo)通，從正向看過去，該電路為降壓電路，從反向看過去，該電路為升壓電路。因此，該拓?fù)錈o需切換電路即可實現(xiàn)充放電。由于MOS管導(dǎo)通

4、電阻遠(yuǎn)小于二極管導(dǎo)通電阻，所以該拓?fù)湫士梢赃_(dá)到很高。 圖1-1-3同步整流電路基本拓?fù)潆娐肪C合以上兩種方案，選擇方案二。1.2控制方案的論證與選擇方案一 利用PWM專用芯片產(chǎn)生PWM控制信號。此法較易實現(xiàn)，工作較穩(wěn)定，但就本題而言，不易實現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整。方案二 利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號。讓單片機(jī)根據(jù)反饋信號對PWM信號做出相應(yīng)調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方案實現(xiàn)起來較為靈活，可以通過調(diào)試針對本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。但是系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.3驅(qū)動方案的論證與選擇方案一：采用單片機(jī)I/0輸出直接驅(qū)動MOS管。該方案較為簡單，但是用單片機(jī)驅(qū)動G極和S

5、極電壓達(dá)不到MOS管最低導(dǎo)通電壓，并且單片機(jī)只有最高只有5V電平，用單片機(jī)驅(qū)動，MOS管導(dǎo)通速度會很慢，MOS管損耗大，造成效率降低。方案二：采用專用的H橋驅(qū)動IR2110。IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，DIP14腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，輸出的電源端電壓范圍1020V,完全可以滿足需求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。2. 電路與程序設(shè)計21電路的設(shè)計2.1.1系統(tǒng)總體框圖電池組直流穩(wěn)壓源顯示按鍵MSP430F5525單片機(jī)DC-DC雙向轉(zhuǎn)換電路過充保護(hù)電路負(fù)載 放電 放電 充電 充電PWM反饋AD采樣 圖2-1-1 系統(tǒng)總體框圖2.1

6、.2 電流檢測子系統(tǒng)電路原理圖電流檢測子系統(tǒng)電路如2-1-2，充電電流通過康銅絲電阻采樣，經(jīng)過INA282放大后，送入TLC2543采樣，送入單片機(jī)處理。圖2-1-2 電流檢測子系統(tǒng)電路2.1.3 驅(qū)動模塊電路原理圖 驅(qū)動子系統(tǒng)電路如圖2-1-3圖2-1-3 驅(qū)動電路2.2程序的設(shè)計2.2.1 程序功能描述1)產(chǎn)生PWM波經(jīng)過IR2110驅(qū)動MOS管，AD采樣并反饋2)鍵盤實現(xiàn)功能：選擇充放電模式，電流步進(jìn)。3)顯示部分：顯示充電電流，放電電壓，工作模式。2.2.2 程序流程圖自動切換模式模式選擇放電模式初始化按鍵輸入充電模式開始狀態(tài)顯示結(jié)束1）主程序流程圖 2-2-2-1主程序流程2）子程序

7、流程圖設(shè)定電流預(yù)值充電模式是否過充產(chǎn)生PWM波放電模式產(chǎn)生PWM波監(jiān)測U2自動切換模式產(chǎn)生PWM波監(jiān)測U2U2是否大于30V調(diào)整PWM波監(jiān)測I1放電模式充電模式調(diào)整PWM波結(jié)束YN 圖2-2-2-2子程序流程1 圖2-2-2-3 子程序流程2 圖2-2-2-4子程序流程33. 系統(tǒng)理論分析與計算3.1主電路的分析 3.1.1同步整流電路的分析 主電路如圖3-1-1所示，HO和LO是驅(qū)動芯片輸出信號，為頻率相同相位相反的PWM信號。從正向看，由于Q1和Q2導(dǎo)通的時間相反，即Q1導(dǎo)通Q2關(guān)閉，Q2導(dǎo)通，Q1關(guān)閉，所以該電路等效于一個BUCK電路，Q2相當(dāng)于BUCK電路的續(xù)流二極管，U1為輸入，U2

8、為輸出，C1為輸出電容。同理，從反向看過去，該電路等效于BOOST電路，U2為輸入電壓，U1為輸出電壓，C1為BOOST電路的輸出電容。 圖 3-1-1主電路3.1.2同步整流電路參數(shù)計算1）電感值的計算： （公式3-1-21）其中，m是脈動電流與平均電流之比取為0.25，開關(guān)頻率f=40 kHz,輸出電壓為36V時，LB=530H，取600H。2）電感線徑的計算：最大電流IL取2.5A，電流密度J取4 A/mm2，線徑為d,則由 （公式3-1-22 ）得d=0.892 mm,工作頻率為40kHz,需考慮趨膚效應(yīng)，制作中采取多線并繞方式，既不過流使用，又避免了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致漆包線有效面積的減小。

9、3）電容的參數(shù)計算 （公式3-1-23）其中，UO為負(fù)載電壓變化量，取20 mV ，f=40kHz,UO=36V時,CB=1465F,取為2000F，實際電路中用多只電容并聯(lián)實現(xiàn)，減小電容的串聯(lián)等效電阻（ESR），起到減小輸出電壓紋波的作用，更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓。3.2恒流充電方案的分析 由于隨著充電的進(jìn)行，電池的電壓逐漸升高，所以，要想保持恒流充電，需要不斷提高充電電源，從而保證電流不變。本設(shè)計通過串聯(lián)康銅絲電阻，采集康銅絲上的電壓，反饋回單片機(jī)通過PI算法調(diào)節(jié)PWM波的占空比，從而保證流過康銅絲上的電流恒定，進(jìn)而實現(xiàn)了恒流充電。4. 測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀器VONTEK可編程直流穩(wěn)壓電源

10、安捷倫五位半數(shù)字萬用表滑動變阻器最大承重5KG電子稱4.2測試方案1)電流控制精度測試保持其他條件不變，在U2=30V條件下，測量充電電流在1A到2A范圍步進(jìn)的輸出電流。測試三次，如表1所示。表1 控制精度測試數(shù)據(jù)序號設(shè)定值I10/A實際電流I1/A11.001.0121.201.2031.401.412)電流變化率測試保持其他條件不變，設(shè)定電流I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，測量U22436V變化時的充電電流，如表2所示。表2 電流變化率測試數(shù)據(jù)序號電壓U2/V充電電流I/A1362.062302.043242.033) 測量精度測試改變充電電流，記錄實際電流和顯示電流。測試五次，如表

11、4所示。表3 測量精度測試數(shù)據(jù)序號實際電流I1/A顯示電流I2/A11.101.1121.501.4831.901.894）自動切換功能測試調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，測量Us在32V到38V范圍內(nèi)變化時的U2，見表5表4 自動切換測試數(shù)據(jù)序號電壓Us/V電壓U2/V13230.0323430.0533830.055）重量測試重量=408g。4.3測試結(jié)果及分析經(jīng)過計算分析得：實驗結(jié)果表明：當(dāng)輸入在2436V條件下對電池實現(xiàn)恒流充電，充電電流在1到2A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值為0.05，電流控制精度高達(dá)0.5%，當(dāng)輸入為24到36V變化時，充電電流變化率不大于0.5%。充電時，變換器效率高達(dá)97%，實現(xiàn)了充電電流顯示，過充保護(hù)等功能。并且變換器具有恒壓放電功能，可自動切換工作模式，保持變換器一側(cè)電壓為30V ±0.1，重量低于500g綜上所述，本設(shè)計得基本要求和發(fā)揮部分的設(shè)計要求全部達(dá)到。5體會心得這次比賽比的不僅僅是我們的動手能力、編程能力、更比的是我們的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊合作力，還有最重要的是毅力，不放棄。比賽過程中，遇到了很多困難，但在較上作品的瞬間就深知，收獲最多的不是結(jié)果，而是解決問題的過程。經(jīng)過這四天三夜的奮斗，我們?nèi)齻€人都堅信，這次比賽沒有任何遺憾。6參考文獻(xiàn)1 電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分 （第四版） 康華光主編。 北京：高等教育出版社 2000 年 1 月2 單片