2015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)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2015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）【本科組】2015年8月13日目 錄TOC o 1-3 h u 摘 要本系統(tǒng)介紹了一種雙向DC-DC變換器的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。由SG3525芯片產(chǎn)生的PWM波經(jīng)三極管傳入到電路中，驅(qū)動(dòng)MOSFET管，使其關(guān)斷或?qū)?，使電壓升高或降低。同時(shí)，可由單片機(jī)監(jiān)測(cè)相應(yīng)信號(hào)經(jīng)判斷后控制繼電器選擇放電或充電的模式使電路保持在一直正常情況下運(yùn)行。當(dāng)充電電壓超出限幅值時(shí)，單片機(jī)可自動(dòng)斷開(kāi)主電路，以保護(hù)系統(tǒng)安全。此外，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)注重了高精度的要求，使輸出電流步進(jìn)可控，且步進(jìn)值小于0.1A。而系統(tǒng)中各元件的選擇以低損耗為標(biāo)準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)的低功耗特

2、性，使系統(tǒng)的效率達(dá)到最高。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次模擬與實(shí)驗(yàn)，基本完成各項(xiàng)要求。關(guān)鍵字：DC-DC變換；低損耗；自動(dòng)；可控；充電ABSTRACT This system introduces the basic principle and realization method of a kind of bidirectional DC-DC converter. The PWM wave generated by the SG3525 chip is introduced into the circuit by the transistor, driving the MOSFET tube, makin

3、g it shut off or on, so that the voltage is raised or lowered. At the same time, the signal can be monitored by a single chip microcomputer to control the relay selection discharge or charging mode to keep the circuit under normal circumstances. When the charging voltage exceeds the limit, the singl

4、e chip microcomputer can automatically disconnect the main circuit to protect the system security. In addition, the system is designed with high accuracy requirements, so that the output current is controlled, and the step value is less than 0.1A. In the system, the selection of the components of th

5、e system is the standard, which improves the systems low power consumption characteristics, so that the systems efficiency is the highest. The system has been simulated and the experiment, the basic completion of the requirements.Keyword: DC-DC transform; Low loss; Automatic; Controllable; Charge雙向

6、DC-DC 變換器（A題）【本科組】第一章 方案論證1.1論證比較1.1.1實(shí)驗(yàn)方案選擇 方案一：雙向半橋DC-DC變換器 雙向DC-DC變換器電路如圖1-1所示。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)T1和T2,達(dá)到雙向直流升壓與降壓的目的。在升壓運(yùn)行時(shí)，T2動(dòng)作，T1截止，變換器工作在Boost狀態(tài);當(dāng)T1動(dòng)作，T2截止時(shí)，變換器工作在Buck狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降壓功能。圖1-1 雙向半橋DC-DC變換器 方案二：雙向反激DC-DC變換器 雙向DC-DC變換器電路如圖1-2所示。通過(guò)控制Q1和Q2開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)變換器工作模式的轉(zhuǎn)換。在升壓運(yùn)行時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，N2同名端為正極，二極管反偏截止，所以電感變壓器此時(shí)作為電感運(yùn)

7、行，電能存儲(chǔ)在N2中，由輸出電容向負(fù)載供電；當(dāng)Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)，變壓器各線(xiàn)圈感應(yīng)電勢(shì)反號(hào)，同名端為負(fù)，迫使二極管導(dǎo)通，電感能轉(zhuǎn)為電場(chǎng)能量向負(fù)載放電和向電容充電。同理，相反步驟下為降壓運(yùn)行。圖1-2 雙向反激DC-DC變換器 方案三：雙向恒流DC-DC變換器 該變換器分為恒流源和恒壓源兩部分電路，由開(kāi)關(guān)控制兩部分的通斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓和降壓的功能，最終實(shí)現(xiàn)DC-DC變換的目的。 經(jīng)比較，方案三較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能盡量較少元器件的相互影響。故選擇方案三作為本次實(shí)驗(yàn)方案。 1.1.2脈沖發(fā)生模塊的選擇 方案一：SG3525 SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它

8、簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。 方案二：TL494 TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。經(jīng)比較，SG3525能滿(mǎn)足本次實(shí)驗(yàn)的所需功能且較TL494穩(wěn)定、簡(jiǎn)單，故選擇SG3525作為本次實(shí)驗(yàn)的PWM控制芯片。1.2方案描述經(jīng)過(guò)論證，本次實(shí)驗(yàn)采用SM2535芯片產(chǎn)生PWM來(lái)供給DC-DC模塊來(lái)控制輸出電壓的高低，并由STM32單片機(jī)檢測(cè)所需檢測(cè)的電壓電流，進(jìn)而控制DC-DC模塊的

9、工作模式，實(shí)現(xiàn)比賽所要求的各項(xiàng)目的。第二章 電路與程序設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.1主系統(tǒng) 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2子系統(tǒng)與器件選擇（1）升壓電路模塊圖2-2 XL6009BOOST電路（2）基于VAS1210降壓電路模塊圖2-3 VAS1210原理圖（功率路徑： MOS閉合時(shí)， 綠線(xiàn)表示；MOS斷開(kāi)時(shí)， 紅線(xiàn)表示。）2.2器件選擇（1）電容的選擇 輸入電容：22uF 或者更大。（2）肖特基二極管的選擇 肖特基二極管：電流能力須大于輸出電流，且反向擊穿電壓要大于輸入電壓。2.3程序功能描述 根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的設(shè)置和顯示。（1）鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)置電流的比例（2）顯示部分

10、：顯示電壓值和電流值（3）程序設(shè)計(jì)思路 在系統(tǒng)中，軟件的主要作用是完成命令輸入、輸出采樣、軟件過(guò)流保護(hù)和結(jié)果顯示等功能，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。第三章 理論分析與計(jì)算3.1參數(shù)的計(jì)算3.1.1電感的計(jì)算 電感量的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)的工作頻率，電感量大則工作頻率低，電感量小則工作頻率高。大的感量可降低頻率從而減小NMOS上的開(kāi)關(guān)損耗，但對(duì)于相同體積電感，感量越大電感的繞線(xiàn)電阻也越大，則電感上的損耗也越大。系統(tǒng)工作頻率的計(jì)算：3.1.2開(kāi)關(guān)頻率的計(jì)算 開(kāi)關(guān)頻率和MOS管的功耗有很大的關(guān)系，頻率越高，產(chǎn)生的損耗越大。較低的電路工作頻率可以降低MOS管的開(kāi)關(guān)損耗，但輸出電壓脈動(dòng)會(huì)增大，因此應(yīng)在允許的頻率范圍內(nèi)選

11、擇較低的頻率。合適的開(kāi)關(guān)頻率大致處于20KHz與60KHz之間，本系統(tǒng)選取開(kāi)關(guān)頻率為30KHz，可以降低損耗。3.1.3其他外圍參數(shù)選擇 外置增強(qiáng)型N-MOSFET：芯片Gate驅(qū)動(dòng)電壓為10V，要選取柵耐壓10V的MOS管，且VDS擊穿電壓要大于輸入電壓，飽和電流要大于輸出電流，導(dǎo)通電阻關(guān)系到工作效率問(wèn)題，MOS管消耗功率為：3.1.4輸出電流設(shè)置芯片輸出電流大小可通過(guò)選擇檢測(cè)電阻RSNS來(lái)設(shè)置，輸出平均電流大小與RSNS關(guān)系為：芯片輸入電流、電壓與輸出電流、工作效率關(guān)系可表示如下：第四章 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案及測(cè)試條件4.1.1測(cè)試方案（1）硬件測(cè)試首先，將硬件主電路分成兩個(gè)模

12、塊分開(kāi)測(cè)試，測(cè)試輸入電壓、電流與輸出電壓、電流之間的關(guān)系。經(jīng)測(cè)試各模塊符合要求后，加入控制模塊進(jìn)行測(cè)試，最后將各個(gè)模塊合并再次進(jìn)行測(cè)試，分別以此測(cè)試所要求項(xiàng)目。軟件仿真測(cè)試 BOOST升壓電路仿真4.1.2測(cè)試條件 測(cè)試條件：檢查多次，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：高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表。4.2測(cè)試結(jié)果及其分析4.2.1測(cè)試結(jié)果當(dāng)電壓U2不變時(shí)，測(cè)量改變占空比對(duì)充電電流I1幅值的影響過(guò)程。 U2=30V占空比（%）404244464850525456電流I1（A）1.241.281.321.361.391.431.471.501.53占空比（%）586062646668707274電流I1（A）1.581.611.651.701.731.771.801.831.86調(diào)整電壓U2的幅值，觀(guān)察充電電流I1的變化過(guò)程。電壓U2（V）25.626.227.128.929.831.232.5.33.134.9電流I1（A）2.001.991.992.