雙向DC-DC變換器

1、2015 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽雙向 DC-DC 變換器（A 題）學(xué)號：1440720117呂剛2015年12月30日本設(shè)計主要由雙向 DC-DC 變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向 DC-DC 變換電路降壓部分采用 XL4016 開關(guān)降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換芯片,最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 93%,升壓部分采用 XL6019 開關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用 PWM 控制原理，形成一個閉環(huán)回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換

2、效率。在本次設(shè)計中恒壓部分完全有硬件控制， 硬件自身形成一個閉環(huán)控制回路， 對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由 PWM 調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。關(guān)鍵字電池充放電升壓降壓 XL4016XL6019STM32一、系統(tǒng)方案 11、雙向 DC-DC 變換電路的論證與選擇 12、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇 13、控制方法的論證與選擇 1二、系統(tǒng)理論分析與計算 2三、電路與程序設(shè)計 31、電路的設(shè)計 3(1)系統(tǒng)總體框圖 32、程序的設(shè)計 5(1)程序功能描述與設(shè)計思路 5(2)程序流程圖 63、程序流程圖 7四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析 7附錄 1:電路

3、原理圖 9附錄 2:源程序 10雙向 DC-DC 變換器（A 題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本設(shè)計主要由雙向 DC-DC 變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片， 最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%,升壓部分采用 XL6019 開關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用 PWM 控制原理， 形成一個閉環(huán)回路， 控制電流恒定， 恒壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。1、雙向 DC-DC 變換電路的

4、論證與選擇方案 1:由降壓斬波變換電路（即 Buck 變換電路）和升壓斬波變換電路（即 Boost 電路）組成雙向 DC-DC 變換電路，分別各使用一個全控型器件 VT（IGBT 或 MOSFET,對輸入直流電源進(jìn)行斬波控制通過調(diào)整全控型器件 VT 的控制信號占空比來調(diào)整輸出電壓。方案 2:采用 XL4016 開關(guān)型降壓芯片和 XL6019 開關(guān)型升壓/降壓芯片構(gòu)成升壓、降壓電路具有低紋波，內(nèi)助功率 MOSft 有較高的輸入電壓范圍，內(nèi)置過電流保護(hù)功能與 EN 引腳邏輯電平關(guān)斷功能。綜合以上兩種方案，考慮到時間的限制，選擇了比較容易實(shí)現(xiàn)的方案 2。2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇由于瑞薩

5、單片機(jī)開發(fā)套件數(shù)量有限，所以我們選擇了一款相對便宜，速度快，性價比較高的 STM32103V8T6 作為控制器， 顯示部分由于收到題目對作品重量的要求， 選擇了質(zhì)量輕，分辨率較高的 0.96 寸 OLED 屏幕顯示。由于市場上所售開關(guān)電源模塊的，紋波大的因素，所以輔助電源選擇了一個較小的 9V 變壓器，進(jìn)行，整流濾波作為輔助電源。3、控制方法的論證與選擇方案 1:采用 PWM 調(diào)節(jié)占空比的方法控制降壓芯片的控制端，達(dá)到控制恒流和控制恒壓的目的，采用 PWM 調(diào)節(jié)軟件較為復(fù)雜，而且 PWM 調(diào)節(jié)較為緩慢，軟件控制難度大。方案 2:恒壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個閉環(huán)控制回路，對電壓進(jìn)行調(diào)

6、節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由 PWM 調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。綜合以上兩種方案，選擇軟件較為簡單，硬件較為復(fù)雜的方案 2。、系統(tǒng)理論分析與計算1、充電電路設(shè)計分析充電電路也就是一個降壓電路，并且要求是一個恒流源，本次競賽選取心降壓芯片，具結(jié)構(gòu)如圖所示。管腳定義如下典型應(yīng)用電路如下2.2 放電電路設(shè)計分析XL6019 是一款專為升壓、升降壓設(shè)計的單片集成電路，可工作在 DC5VgJ40V 輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率 MOSXL6019 內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計。PWM 空制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從 090%d 句線性變化。內(nèi)置過電

7、流保護(hù)功能與 EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下XL4016 為核lfiiXL4OI61TTn公WlUV( (V.T-L2Sv(WDIOITO樂4m門d1imKiilLI47uH/oA2.1充電電路設(shè)計分析充電電路也就是一個降壓電路， 并且要求是一個恒流源,核心降壓芯片，具結(jié)構(gòu)如圖所示。XL4016 降壓模塊電路圖如下所示2.2 放電電路設(shè)計分析XL6019 是一款專為升壓、升降壓設(shè)計的單片集成電路，可工作在 DC5VgJ40V 輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率 MOSXL6019 內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計。PWM!制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從 090 應(yīng)間線性變化。內(nèi)置

8、過電流保護(hù)功能與 EN 腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下三、電路與程序設(shè)計1、電路的設(shè)計(1)系統(tǒng)總體框圖本次競賽選取 XL4016 為uxiRD，IKi.I口I7(IIF*(圖 3-1)系統(tǒng)總體框圖如圖 3-1 所示，主要由輔助電源、測控電路、雙向 DC-DC 變換電路等組成，輔助電源為測控電路供電，測控電路用于檢測和控制雙向 DC-DC 電路，以及電壓電流的采集與控制。(2)降壓電路原理降壓電路采用 XL4016 型 8A,180KHz,40V,PWM 降壓型直流對直流轉(zhuǎn)換器，最大效率可達(dá) 96%。輸出 1.25V 到 36V 可調(diào)，8A 恒定輸出電流能力。如下圖 3-2 所示為 XL

9、4016 降壓部分電路圖，通過對 FB 引腳的控制，可有效的實(shí)現(xiàn)電流及電壓的控制。該轉(zhuǎn)換器外圍器件少，低紋波，調(diào)節(jié)簡單，內(nèi)置短路保護(hù)功能。PWM 占空比0%到 100%連續(xù)可調(diào)。(圖 3-2)(3)升壓電路原理圖升壓電路使用 XL6019 型 220KHz、60V、5A 開關(guān)電流升壓/降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器?？晒ぷ髟?DC5V 到 40V 輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率 MOS、XL6019 內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計。PWM 控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從 090%之間線性變化。內(nèi)置過流保護(hù)功能與 EN 腳邏輯電平關(guān)斷功能。使用單片機(jī)控制 EN 引腳實(shí)現(xiàn)對升壓模塊開啟與關(guān)

10、斷。(圖 3-3)(4)測控電路電路原理圖測控電路如圖 3-4 所示，通過電阻分壓濾波后，使用單片機(jī) ADC 采樣，得到輸入、輔助電源測控電路直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，以及電流和 2.5V 基準(zhǔn)電壓，使用 TL431 產(chǎn)生 2.5V 基準(zhǔn)電壓用于矯正。恒壓恒流控制使用單片機(jī)輸出 PWM,經(jīng)濾波后使用 LM358 跟隨，增強(qiáng)驅(qū)動能力，同時可減小輸入控制端的能量消耗。使用比較器比較設(shè)定值與輸出值，再控制芯片的工作狀態(tài)。(圖 3-4)電源為減小高頻干擾，輔助電源使用 220V 到 9V 普通變壓器，經(jīng)整流濾波后使用 7812 和HT7333 分別輸出 12V 和 3.3V 電壓為 LM358 和單片機(jī)小

11、系統(tǒng)板供電。2、程序的設(shè)計(1)程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求，軟件部分實(shí)現(xiàn)測量顯示，切換模式，充電過壓保護(hù)，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2、程序設(shè)計思路(1)、首先進(jìn)行，按鍵，OLED 各個內(nèi)設(shè)初始化；(2)、進(jìn)行按鍵掃描；(3)、判斷模式；(4)、進(jìn)行 PWM 控制電流，讓輸出為橫流模式；(5)、掃描按鍵；(6)進(jìn)行打開光耦，讓升壓模塊工作；m3 程序流程圖1、系統(tǒng)總框圖Vin/Vout2、程序流程圖充電橫式?jīng)]有超過24V放電模式枚中梅式四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析4.1 測試儀器5 位半數(shù)字萬用表，4 位半萬用表4.2 測試數(shù)據(jù)與分析(1)U2=30 驚件下對電池恒流充電，電流 I1 在

12、 1-2A 變化過程中測量值如下表:按按鍵次數(shù)12345678910I1 測量值(A)10.991.011.061.071.101.121.141.161.17設(shè)定 I1=2A,使 U2 在 24-36V 范圍內(nèi)變化時，測量記錄 I1 的值。數(shù)據(jù)如下:U2(V)24252627282930313236I1(A)1.991.981.981.991.971.981.991.962.011.99(3)設(shè)定 I1=2A,在 U2=30V 測量 U1,I2,計算效率。數(shù)據(jù)如下：當(dāng) I1=2A,U2=30VM,測得 I2=1.47A,U1=20V 由止匕計算效率為 97%(4)放電模式下，保持 U2=30

13、V 計算效率，數(shù)據(jù)如下：當(dāng) U2=30V 時，I2=1.02A,U1=18.9V,I1=0.63A,由此計算效率為 98%(5)使 US 在 32-38V 范圍內(nèi)變化時 U2 記錄如下：Us/V32333334353637U2/V29.729.829.829.929.830.330.4以上數(shù)據(jù)可以說明，本次設(shè)計的雙向 DCD 囁換器，各項(xiàng)指標(biāo)均在題設(shè)范圍內(nèi)，是符合要求的。HR廠uI.rii：f?J)A北1|中l(wèi)ip*%J就LM1：L?FB1的疝13附錄2:源程序#include#include#includeunsignedcharReadADC(unsignedcharChl);/AD 采樣

14、，有返回值voidDAC(unsignedcharData);voiddelay(unsignedcharj);unsignedintdatpro(void);voidled(intg,inta);voidout_AD_led();voidDA_out();sbitkey_1=P3A4;sbitkey_2=P3A5;sbitduan=P2A6;sbitwei=P2A7;sbitinO=P3A2;unsignedcharcodetable=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x00;unsignedcharn

15、um=102;/DA 數(shù)模輸出變量初始值intmain()while(1)DA_out();DAC(num);out_AD_led();voidout_AD_led()/led(1,datpro()/1000);led(2,datpro()%1000/100);led(3,datpro()%100/10);unsignedcharReadADC(unsignedcharCh)/讀取 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換的值，有返回值unsignedcharData;Start();/寫入芯片地址Send(AddWr);Ack();Send(0 x40|Ch);寫入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自行添加

16、/Ch 的值分別為 0、1、2、3,分別代表 1-4 通道Ack();Start();/DA 輸出/電壓采樣數(shù)據(jù)處理/數(shù)碼管顯示/輸出采樣電壓 1/DA 輸出控制Send(AddRd);/讀入地址Ack();Data=Read();/讀數(shù)據(jù)Scl=0;NoAck();Stop();returnData;/返回值unsignedintdatpro(void)/unsignedintdianyah,dianyal;unsignedintdianya=0;unsignedcharx;for(x=0;x4;dianyal=dianya&0 x0f;dianya=dianyal*20+diany

17、ah*310;return(dianya);voidDA_out()/if(key_1=0)delay(10);while(key_1=0);num=num-1;if(key_2=0)delay(10);while(key_2=0);num=num+1;)voidDAC(unsignedcharData)/(Start();Send(AddWr);/寫入芯片地址Ack();Send(0 x40);/寫入控制位，使能 DAC 輸出Ack();Send(Data);寫數(shù)據(jù)Ack();Stop();)voidled(intg,inta)/(if(g=1)(P0=0Xfe;wei=1;wei=0;P0

18、=tablea;duan=1;delay(2);duan=0;)if(g=2)(P0=0Xfd;wei=1;wei=0;P0=tablea0 x80;duan=1;delay(2);duan=0;)if(g=3)(P0=0Xfb;wei=1;wei=0;P0=tablea;duan=1;delay(2);duan=0;P0=0Xf7;wei=1;wei=0;P0=0 x3e;duan=1;duan=0;)voiddelay(unsignedcharj)/(unsignedinti;for(;j0;j-)for(i=0;i125;i+);)#include#defineAddWr0 x90#defineAddRd0 x91/關(guān)掉時鐘芯片輸出/定義總線連接端口/時鐘信號voidStart(void)啟動 IIC 總線(Sda=1;_nop_();Scl=1;_nop_();Sda=0;_nop_();Scl=0;)voidStop(void)停止 IIC 總線(Sda=0;_nop_();Scl=1;_nop_();Sda=1;_nop_()；Scl=0;)voidAck(void)/應(yīng)答 IIC 總線/寫數(shù)據(jù)地址/讀數(shù)據(jù)地址sbit