國賽技術(shù)報(bào)告

1、雙向DC-DC變換器（A題）設(shè)計(jì)報(bào)告摘要 本系統(tǒng)采用DC-DC恒流降壓電路和DC-DC穩(wěn)壓升壓電路實(shí)現(xiàn)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換，并且能夠高效對鋰電池的充電放電。該系統(tǒng)利用STM32F103C8T6單片機(jī)的12位高精度的ADC采樣進(jìn)行運(yùn)算處理，并對繼電器的閉合進(jìn)行控制從而完成對蓄電池沖電放電工作模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)測得，該系統(tǒng)電路在充電工作模式下轉(zhuǎn)換將近90%，在放電模式也達(dá)到90%，充電電流步進(jìn)精度達(dá)到0.01A，具有閾值20+-0.5V的過流保護(hù)功能，并能顯示輸入電壓與輸出電壓，基本達(dá)到了試題的要求。關(guān)鍵詞：高效充放電；降壓恒流；過流保護(hù)；32位微處理器；高精度AD采樣雙向DC-DC變換器（A題）

2、1、 方案論證 1.DC-DC降壓模塊方案選擇  (1)方案一：普通電阻串聯(lián)分壓降壓。電路及原理都很簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但是功耗大，造成極大浪費(fèi)，不安全，性能差。 (2)方案二：后級為降壓電路，采用Buck拓?fù)洹uck電路由脈寬調(diào)制芯片、開關(guān)管、電感、續(xù)流二極管組成，如圖所示。經(jīng)過分析對比，脈寬調(diào)制芯片選用UC3842能直接驅(qū)動(dòng)雙極型的功率管或場效應(yīng)管，電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率最高達(dá)500KHz，啟動(dòng)電流小于1mA。通過這樣技術(shù)路線把設(shè)計(jì)簡單化、模塊化，能使電路的制作和調(diào)試更加簡單，成功的概率大大提高。 綜合比較，選用方案二。圖2 BUCK電路 2, DC-DC升壓模塊方案選

3、擇 (1)方案一：串聯(lián)開關(guān)電路形式。開關(guān)管V1受占空比為D的PWM波的控制，交替導(dǎo)通或截止，再經(jīng)L和C濾波器在負(fù)載R上得到穩(wěn)定直流輸出電壓Uo。該電路屬于降壓型電路，達(dá)不到題目要求的30-36V的輸出電壓。 (2)方案二：并聯(lián)開關(guān)電路形式。并聯(lián)開關(guān)電路原理與串聯(lián)開關(guān)電路類似，但此電路為升壓型電路，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感儲(chǔ)能，截止時(shí)電感能量輸出。只要電感繞制合理，能達(dá)到題目要求的30-36V，且輸出電壓Uo呈現(xiàn)連續(xù)平滑的特性。 (3)方案三：串并聯(lián)開關(guān)電路形式。實(shí)際上此電路是在串聯(lián)開關(guān)電路后接入一個(gè)并聯(lián)開關(guān)電路。用電感的儲(chǔ)能特性來實(shí)現(xiàn)升降壓，電路控制復(fù)雜。 由于這部分只需升壓，故選擇方案二。 圖3 串聯(lián)

4、開關(guān) 圖4 并聯(lián)開關(guān) 圖5 串并聯(lián)開關(guān) 3. 測控電路及輔助電源方案選擇  (1)方案一：采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波,控制開關(guān)的導(dǎo)通與截止。根據(jù)A/D后的反饋電壓程控改變占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。負(fù)載電流在康銅絲上的取樣經(jīng)A/D后輸入單片機(jī)，當(dāng)該電壓達(dá)到一定值時(shí)關(guān)閉開關(guān)管，形成過流保護(hù)。該方案主要由軟件實(shí)現(xiàn)，控制算法比較復(fù)雜，速度慢，輸出電壓穩(wěn)定性不好，若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。 (2)方案二：采用恒頻脈寬調(diào)制控制器TL494，這個(gè)芯片可推挽或單端輸出，工作頻率為1-300KHz，輸出電壓可達(dá)40V,內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，輸出級的拉灌電流可達(dá)200mA，驅(qū)

5、動(dòng)能力較強(qiáng)。芯片內(nèi)部有兩個(gè)誤差比較器，一個(gè)電壓比較器和一個(gè)電流比較器。電流比較器可用于過流保護(hù)，電壓比較器可設(shè)置為閉環(huán)控制，調(diào)整速度快。 （3）方案三：采用多個(gè)繼電器向單片機(jī)反應(yīng)電平從而控制電路中開關(guān)的閉合實(shí)現(xiàn)充放電工作模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。調(diào)整速度快，控制簡便易行。 綜合比較選擇方案三。2、 電路與程序設(shè)計(jì) 1,雙向 DC-DC 主回路DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器自問世以來，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，用作恒壓源，當(dāng)負(fù)載電流在額定范圍內(nèi)變化時(shí)，其輸出電壓保持不變。DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的原理框圖如圖6所示。圖6 DC-DC恒流穩(wěn)壓電路 2.元器件的選擇 主要由功率開關(guān)管、儲(chǔ)能電感、濾波電容、開關(guān)管和續(xù)流二

6、極管組成。利用無源元件電感和電容的能量儲(chǔ)存特性，從輸入電壓獲得能量，暫時(shí)把能量以磁場的形式存儲(chǔ)在電感中，或者以電場的形式存儲(chǔ)在電容之中，然后將其變換到負(fù)載，這樣就完成升壓功能。 3.測量電路采用STM32F103C8T6單片機(jī)的12位精度的ADC采樣，I1電流通過在電池串聯(lián)0.1歐姆的康銅絲并測壓降，再經(jīng)過計(jì)算得I1。U1和U2 分別通過10K和120K電阻網(wǎng)絡(luò)分壓并采樣獲得，再按比例放大得U1和U2. 4.控制程序 程序功能設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利分別對采樣電阻檢測的電壓、電流信號先經(jīng)比較器整形，然后通過計(jì)算得到并控制液晶屏顯示輸出電流和電壓。該方法易于操作，而且通過等精度法測相，可達(dá)到很高精度，從而

7、能很好滿足系統(tǒng)要求。 5.過流保護(hù)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)輸出過流保護(hù)電路如圖4.4所示，該電路由MOSFET管、12V穩(wěn)壓管、27V穩(wěn)壓管、可控精密穩(wěn)壓源TL432組成。通知電路網(wǎng)絡(luò)，可設(shè)置電流閾值為2.5A。當(dāng)在閾值范圍內(nèi)，柵極電壓為12V，電路正常輸出36V；超過閾值時(shí)，穩(wěn)壓管ZMM1導(dǎo)通，電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，輸出2.5V。3、 理論分析與計(jì)算 1.主回路主要器件參數(shù)選擇及計(jì)算 （1）Boost升壓電路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算選擇導(dǎo)通電阻小的IRFP360作為開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻僅為77m（VGS=10V, ID=17A）。IRF540擊穿電壓VDSS為55V ，漏極電流最大值為28A（VGS =10

8、V， 25°C），允許最大管耗PCM可達(dá)50W，完全滿足電路要求。 （2）肖特基二極管的選擇選擇ESAD85M-009型肖特基二極管，其導(dǎo)通壓降小，通過1 A電流時(shí)僅為0.35V，并且恢復(fù)時(shí)間短。實(shí)際使用時(shí)為降低導(dǎo)通壓降將兩個(gè)肖特基二極管并聯(lián)。 (3)電感的參數(shù)計(jì)算 其中，m是脈動(dòng)電流與平均電流之比取為0.25，開關(guān)頻率f=20 kHz,輸出電壓為36V時(shí)，LB=527.48H，取530H。1） 電感線徑的計(jì)算：最大電流IL為2.5A，電流密度J取4 A/mm2，線徑為d,則由得d=0.892 mm,工作頻率為20kHz,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

9、趨膚效應(yīng)導(dǎo)致漆包線有效面積的減小。 （4）電容的參數(shù)計(jì)算 其中，UO為負(fù)載電壓變化量，取20 mV,f=20kHz,UO=36V時(shí),CB=1465F,取為2000F，實(shí)際電路中用多只電容并聯(lián)實(shí)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。 2.控制方法與參數(shù)計(jì)算Boost變換電路由Q1、電感L1、二極管D1和輸出電容C0組成，原理圖如圖4所示：在和開關(guān)管Q1之間串接電感L1，電感的下端通過整流二極管D1給輸出電容C0及負(fù)載供電。當(dāng)Q1在Ton時(shí)段導(dǎo)通時(shí)，D1反偏，L1的電流線性上升直到 ,此時(shí)了L1存儲(chǔ)了能量圖8 Boost變換電路原理圖由于在Q1導(dǎo)通時(shí)段輸

10、出電流完全由C0提供，所以C0應(yīng)選得足夠大，以使在Ton時(shí)段向負(fù)載供電時(shí)其電壓降低能滿足要求。Q1關(guān)斷時(shí)，由于電感電流不能突變，L1的電壓極性顛倒，L1異名端電壓相對同名端為正。L1同名端為且L1經(jīng)D1向C0充電，使C0兩端電壓高于，此時(shí)電感儲(chǔ)能給負(fù)載提供電流并補(bǔ)充C0單獨(dú)向負(fù)載供電時(shí)損失的電荷。若Q1下次導(dǎo)通之前，流過D1的電流已下降到零，則認(rèn)為上次Q1導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)于L1中的能量已釋放完畢，電路工作于不連續(xù)模式；反之若電流在關(guān)斷時(shí)間結(jié)束時(shí)還未下降到零，則由于電感電流不能突變，Q1下次導(dǎo)通時(shí)電流上升會(huì)有一個(gè)階梯，此時(shí)稱電路工作于連續(xù)模式。輸出電壓的調(diào)整是通過負(fù)反饋環(huán)控制Q1導(dǎo)通時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。若直流

11、負(fù)載電流上升，則導(dǎo)通時(shí)間會(huì)自動(dòng)增加為負(fù)載提供更多能量。若下降而Ton不變，則峰值電流即L1的儲(chǔ)能會(huì)下降，導(dǎo)致輸出電壓下降。但負(fù)反饋環(huán)會(huì)檢測到電壓的下降，并通過增大Ton來維持輸出電壓恒定。 3.提高效率的方法 經(jīng)分析計(jì)算，本設(shè)計(jì)的工作損耗主要有三個(gè)方面。與開關(guān)頻率有關(guān)的損耗，包括開關(guān)管的開關(guān)損耗、電感的鐵損以及吸收電路的損耗。通態(tài)損耗，包括開關(guān)管的導(dǎo)通損耗、電感的銅損以及線路損耗。其他損耗，如控制電路損耗。本設(shè)計(jì)從以下方面減小損耗以提高效率： （1）選取合適的開關(guān)管采用N溝道增強(qiáng)型絕緣柵極場效晶體管（MOSFET）作為開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻小、開關(guān)損耗小、 工作頻率較高，適用于中低功率場合。開關(guān)管

12、平均電流： (為電源輸出平均電流，為輸入電壓最小時(shí)的最大占空比，為輸出電流)。開關(guān)管截止時(shí)承受的最大電壓為輸入電壓最大值與輸出電壓之間的壓差，為盡量減小開關(guān)導(dǎo)通損耗，選取開關(guān)管的開關(guān)電流容量，瞬態(tài)最大電流(電感峰值電流)。 （2）選取合適的開關(guān)頻率為降低開關(guān)損耗，應(yīng)盡量降低工作頻率；但為了避免在最小開關(guān)頻率處出現(xiàn)人耳能感知到的噪音。綜合考慮后，選取開關(guān)頻率為20kHz。 （3）開關(guān)管零電流導(dǎo)通控制場效應(yīng)管晶體管的導(dǎo)通受控于MC33262芯片內(nèi)的零電流檢測器，當(dāng)零電流檢測器中的電流降為零時(shí)，MOEFET導(dǎo)通，此時(shí)蓄電池開始儲(chǔ)能，電流增加，實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通控制。4、 測試方案與測試結(jié)果 1.測試方案

13、 采用STM32F103C8T6單片機(jī)的12位精度的ADC采樣，I1電流通過在電池串聯(lián)0.1歐姆的康銅絲并測壓降，再經(jīng)過計(jì)算得I1。U1和U2 分別通過10K和120K電阻網(wǎng)絡(luò)分壓并采樣獲得，再按比例放大得U1和U2. 2.測量條件表1 測試所用儀器及型號序 號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1YD1028H型 LRC數(shù)字電橋1常州揚(yáng)子電子有限公司2TDGC-2接觸調(diào)壓器（0.5KVA）1江蘇淮陰儀器有限公司3UTD2102M數(shù)字存儲(chǔ)示波器1帶寬100MHz 2Gb/s4EXCEL DT9205萬用表2上海儀華儀器 3.測試結(jié)果表2 實(shí)驗(yàn)主要數(shù)據(jù)基本部分要求實(shí)現(xiàn)充電電流I1在 12A 范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)充

14、電電流I1在1.021.94A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)步進(jìn)值不大于0.1A步進(jìn)值小于0.1A電流控制精度不低5%電流控制精度為4%充電電流 I1 的變化率不大于 1%充電電流 I1 的變化率為5.9%變換器的效率>=90% h變換器的效率為89.1% h ³測量精度不低于 2%測量精度為2%具有過充保護(hù)功能具有過充保護(hù)功能發(fā)揮部分變換器效率 >=95%變換器效率為90.3%自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式保持 U2=30±0.5V可以保持總重量不大于 500g總重量為400g 4.測試結(jié)果分析該系統(tǒng)能較好的完成本次設(shè)計(jì)競賽的基本部分的要求，達(dá)到題目所要求的精度，并實(shí)現(xiàn)

15、蓄電池的充電放電功能。發(fā)揮部分放電電路能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化效率，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式的功能。除此之外，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的顯示出輸入電壓和輸出電壓，精度可以達(dá)到1%。5、 總結(jié) 經(jīng)過不懈的辛勤勞動(dòng)，經(jīng)過無數(shù)次的試驗(yàn)和修改，我們最終完成了本次設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，我們充分考慮了各個(gè)方面的因素，無論是在方案選擇、軟件編寫，還是在硬件制作與調(diào)試等方面我們都經(jīng)過了精密的分析與驗(yàn)證，使每個(gè)部分分別測試以達(dá)到最佳效果，完成了該作品。這次比賽中我們爭分奪秒，廢寢忘食，為同一個(gè)夢想一起并肩作戰(zhàn)，加深了對電子學(xué)科的理解與這愛，這種寶貴的經(jīng)歷必將使我們終生受益。參考文獻(xiàn)1張曉麗. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社

16、，2002.2 曲學(xué)基等.新編高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源.北京：電子工業(yè)出版社，20053童詩白，華英成. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2006.4 劉軍. 例說STM32.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2011.5Sanjaya Maniktala. 精通開關(guān)電源設(shè)計(jì).北京:人民郵電出版社，20126 張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).修訂版北京：電子工業(yè)出版社，2004.7Keith BillingsSwitchmode Power Supply Handbook. Second Edition. 開關(guān)電源手冊北京：人民郵電出版社，20078Abraham I. Pressman.

17、 Switching Power Supply Design. Second Edition. 開關(guān)電源設(shè)計(jì)北京：電子工業(yè)出版社，20059Chunsen Tang，Xin Dai，Zhihui Wang，Yue SunFrequency Bifurcation Phenomenon Study of a Soft Switched PushPull Contactless Power Transfer DeviceAIndustrial Electronics and Applications，2011 6thIEEE Conference onC，2011：1981-198610孫躍，夏晨

18、陽，蘇玉剛，戴欣CPT系統(tǒng)效率分析與參數(shù)優(yōu)化J西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，45(6)：836-84211蘇玉剛，戴欣，孫躍軟開關(guān)變換電路精細(xì)離散映射建模方法研究J系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(3)：672675附錄一：電路圖圖9 總電路原理題圖10 核心電路原理圖圖11 過流保護(hù)電路圖12 STM32最小系統(tǒng)電路圖圖13 電路實(shí)物圖附錄二：實(shí)驗(yàn)完整數(shù)據(jù)表3 電流控制精度測量I1I10Eic1.20A1.25A4%表4 充電電流變化率測量I1I11I12Sr12.03A/1.91A5.9%表5 充電效率測量U1U2I1I2P1/P221.5V29.9V2.03A1.66A89.1%表6 放電效率

19、測量U1U2I1I2P2/P118.2V29.6V1.91A1.06A90.3%附錄三：源程序#include "pbdata.h"#include "font.h"#include "sys.h"#include "lcd.h"#include "adc.h"extern _IO uint16_t ADCValTable4500;void RCC_Configuration(void);void OUT_Init(void);void KEY_Init(void);void ADC1_Init

20、(void);int main(void)u8 flag1 = 1, flag2 = 0, flagA = 0, i;RCC_Configuration();OUT_Init();KEY_Init();ADC1_Init();LCD_init_io();Lcd_Init();CS_OFF;while(1)/顯示/LCD_ShowString(2,10,"Mode:");LCD_ShowString(10,40,"U2=");LCD_ShowNum(40,40,averageAD0(),6);LCD_ShowString(100,40,"mV&q

21、uot;);LCD_ShowString(10,70,"U1=");LCD_ShowNum(40,70,averageAD1(),6);LCD_ShowString(100,70,"mV");LCD_ShowString(10,100,"I1=");LCD_ShowNum(40,100,averageAD2(),6);LCD_ShowString(100,100,"mA");/繼電器開關(guān)/if(S1 = 0)delay(50);if(S1 = 0) while(S1 = 0); LCD_Clear(CYAN); /

22、清屏函數(shù)&顏色 LED_REV; S1_REV; flag1 = !flag1;if(S2 = 0)delay(50);if(S2 = 0) while(S2 = 0); LCD_Clear(CYAN); LED_REV; S2_REV; flag2 = !flag2;/數(shù)字電位器增減/if(Dec = 0)delay(50);if(Dec = 0) while(Dec = 0); for(i=0; i<3; i+) UD_ON; INC_ON; delay(1); INC_OFF; delay(1); if(Inc = 0)delay(50);if(Inc = 0) while

23、(Inc = 0); for(i=0; i<3; i+) UD_OFF; INC_ON; delay(1); INC_OFF; delay(1); /充電模式/if(flag1 = 1 && flag2 = 0 && flagA = 0)LCD_ShowString(45,10,"Charging ");Ctr1_OFF;Ctr2_OFF;Ctr3_OFF;/放電模式/if(flag1 =0 && flag2 = 1 && flagA = 0)LCD_ShowString(45,10,"Disc

24、harge");Ctr3_ON;delay(500);Ctr1_ON;Ctr2_ON;/自動(dòng)模式/if(flag1 = 1 && flag2 = 1)flagA = 1;LCD_ShowString(45,10,"AutoSet ");S1_ON;S2_ON;Ctr3_ON;delay(500);Ctr1_ON;Ctr2_ON;while(S1=1 | S2=1)LCD_ShowString(10,40,"U2=");LCD_ShowNum(40,40,averageAD0(),6);LCD_ShowString(100,40,

25、"mV");LCD_ShowString(10,70,"U1=");LCD_ShowNum(40,70,averageAD1(),6);LCD_ShowString(100,70,"mV");LCD_ShowString(10,100,"I1=");LCD_ShowNum(40,100,averageAD2(),6);LCD_ShowString(100,100,"mA");flagA = 0;S1_OFF;S2_OFF;flag1 = 1;flag2 = 0;Ctr1_OFF;Ctr2_OFF;Ctr3_OFF;/斷電模式/if(flag1 = 0 && flag2 = 0)LCD_ShowString(45,10,"PowerOff ");/輸出端口設(shè)置/void OUT_Init(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5| GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin