双向 DCDC 变换器报告.docx
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双向DCDC变换器报告
2015年全国大学生电子设计竞赛
双向DC-DC变换器(A题)
2015年8月16日
摘要:
本系统以同步整流电路为核心构成双向DC--DC电路,用两块LT8705构建双向DC—DC,当系统选择了充电模式,则关断放电的LT8705模块,当放电的时候则关断充电LT8705模块。
自动模式的时候通过系统自动调整输入输出模式,使得系统达到稳定。
系统充电电流I1在1~2A范围内步进可调;设定I1=2A后,U2在24~36V范围内变化时,充电电流I1的变化率小于1%;设定I1=2A,在U2=30V条件下,变换器的效率达到95%;12864实时显示充电电流的数值,精度误差小于2%;具有过充保护功能;放电模式时,保持U2=30±,变换器效率达到97%,满足题目要求。
关键词:
双向DC-DC电路;LT8705;关断保护
一、系统方案
双向DC-DC电路方案论证与选择
方案1:
采用双向Buck-BoostDC-DC变换电路。
工作原理:
当Q2保持关断,Q1采用PWM工作方式工作时,变换器实际是一个Buck电路,能量从V1传到V2。
当Q1保持关断,Q2采用PWM工作方式工作时,交换器相当于一个Boost电路,能量从V2传到V1。
如图1所示。
其可以实现降压充电又可实现升压输出,有较好的灵活性。
驱动开关管部分电路简单,但效率达不到要求。
图1双向Buck-BoostDC-DC变换电路
方案2:
采用LT8705降压-升压型DC-DC控制器,该器件可以在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下运作。
输入电压范围:
至80V;输出电压至80V。
同步整流:
效率高达98%,可同步的固定频率:
100KHz至400KHz。
该方案的优点,效率极高,可以很好的满足题目的效率要求。
电路原理图见附图1。
方案3:
采用双向半桥DC-DC变换电路。
如图2,电路由两个半桥组成,高压侧为电压型半桥,低压侧为电流型半桥Lr为变压器漏感与外加电感之和。
由于变压器的激磁电感Lm远远大于漏感,因此可以将其忽略。
该方案电路相对复杂,且有变压器整个系统质量偏重,效率较低,不符合题目要求。
图2双向半桥DC-DC变换电路
分析:
方案二效率更高,且电路简单易实现,故选用LT8705作为双向DC-DC电路的主要芯片。
电流监测反馈模块的选择
方案1:
采用INA196电流采样芯片,INA194是16位电流检测器。
共模电压范围-16到+36v,工作温度范围-45°C到+125°C,在整个工作温度范围内,误差小于3%;带宽可达500kHz;静态电流最大值900uA;输出电压正比于检测电流,检测电流范围大;内部运放输出接近电源电压:
与V+差,与GND差3mV,工作温度范围-45°C到+125°C,该方案的优点是:
精度高,功耗低,电路简单易实现。
方案2:
采用MAX471精密电流传感放大器MAX471。
MAX471内置35mΩ精密传感电阻,可测量电流的上下限为±3A。
所需的供电电压VBR/VCC为3~36V,所能跟踪的电流的变化频率可达到130kHz。
该方案的优点:
响应速度快,精度可观。
方案3:
采用AD8221精密仪表放大器,AD8221是一款增益可编程、高性能仪表放大器,相比于同类芯片其相对于频率的共模抑制比(CMRR)最高,从而打打降低对滤波器的要求,该器件的额定工作温度为-40°C至+85°C,该方案的优点:
功耗低,速度快。
分析:
AD8221的精度相比于其他两个芯片更高,且性能最佳,故选用AD8221作为电流检测反馈模块的主要芯片。
电流电压测量AD模块的论证与选择
方案1:
分别采用电流电压型模数转换芯片ADC0832和ADC0809。
ADC0832是生产的一种8、双通道A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS,据有双数据输出可作为,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D,8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。
单个+5V电源供电。
该芯片,分辨率相对较低,不符合题目的分辨率要求。
方案2:
采用ADS8688单电源8通道逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC),其工作时的吞吐量可达500kSPS。
支持自动和手动两种扫描模式的4通道或8通道多路复用器、以及低温度漂移的片上基准电压。
采用5V单模拟电源供电时,器件上的各输入通道均可支持±、±和±的实际双极输入范围以及0V到和0V到的单极输入范围。
模拟前端在所有输入范围内的增益均经过精确微调,以确保高直流精度。
输入范围的选择可通过软件进行编程,各通道输入范围的选择相互独立,输出保护电压高达±20V,低功耗65mW,具有极好的性能。
该方案的优点是,精度(分辨率)高,速度快,功耗低。
分析:
方案一用了两块芯片,电路比较复杂,且精度不高温度漂移大,使系统准确性不高,且相比于方案二功耗更高,所以本设计选用方案二。
辅助电源的选择
方案1:
采用凌力尔特公司的LTC3114。
LTC3114是可编程输出电流DC/DC转换器,输出电压可低于或高于输入电压。
输入电压范围v至40v,输出电压范围至40V,输出电流可达1安。
效率高达96%。
该方案的优点是:
效率高,电路简单。
方案2:
采用LM2596S-5V开关电压调节器,LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性。
可以稳定输出5V电压。
内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调节器相比较,可以使用更小规格的滤波元件。
由于该器件只需4个外接元件,可以使用通用的标准电感,这更优化了LM2596的使用,极大地简化了开关电源电路的设计。
在特定的输入电压和输出负载的条件下,输出电压的误差可以保证在±4%的范围内,振荡频率误差在±15%的范围内。
分析:
考虑到输出电压稳定性及系统质量的要求,本设计选用方案二的LM2596S-5V开关电压调节器
单片机的选择
方案1:
采用STM32F103系列单片机。
该单片机采用ARM?
32位Cortex-M3?
CPU内核,最高72MHz工作频率,128K字节的闪存程序存储器高达20K字节的SRAM,2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器,还包含标准和先进的通信接口:
多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。
具有速度快,功耗低,体积小重量轻的优点。
方案2:
AT89C52是一个低电压,高性能?
8位,片内含8kbytes的可反复擦写的只读和256bytes的随机存取数据存储器(),器件采用的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51,片内置通用8位和Flash,AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
分析:
由于本系统对单片机处理速度要求较高,故选用速度更快且功耗更低的STM32来作为整个系统的控制模块芯片。
二、理论分析与计算
提高效率的方法
(1)采用LT8705作为双向DC-DC电路的核心,LT8705用4个反馈环路来调节输入电流/电压以及输出电流/电压。
使用的同步整流能能有效的提高效率,达到98%以上,相比于采用拓扑结构的方案效率更高。
(2)使用印制电路板,低线路进行合理的布局,使电路更稳定,防止电路过激或震荡,增强电路可靠性,降低功耗,提高效率。
三、核心部分电路及程序设计
图3程序结构框图
外接30伏电压时系统为充电模式,AD芯片采集电流电压信号反馈单片机,实现恒流输入,并实时显示,按键扫描检测按键是否按下,来控制充电电流大小,充电电压超过阀值时,自动断电。
接负载时自动切换为放电模式,AD芯片采集输出电压信号传输到单片机对比,进行闭环控制,保证输出电压为恒定30伏。
图4系统结构框图
四、测试方法与数据
(1)题目要求:
U2=30V条件下,实现对电池恒流充电。
充电电流I1在1~2A
范围内步进可调,步进值不大于,电流控制精度不低于5%。
测试结果如下:
表1充电电流步进控制检测数据
按键次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
理论电流值(A)
实际电流值(A)
按键次数
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
理论电流值(A)
实际电流值(A)
电流初始值1A,每按两次键,理论充电电流增加。
根据电流控制定义式:
实际电流控制值精度为2%,符合题目要求。
(2)题目要求:
设定I1=2A,调整直流稳压电源输出电压,使U2在24~36V
范围内变化时,要求充电电流I1的变化率不大于1%。
测试结果如下:
表2充电电流调整率测试数据
输入电压U2/V
24
26
28
30
32
34
充电电流I1/A
根据电流变化率计算公式:
实际电流变化率为%,符合题目要求。
(3)题目要求:
测量并显示充电电流I1,在I1=1~2A范围内测量精度不
低于2%。
测试结果如下:
表3显示电流测试数据
实际电流I1
显示电流IX/A
根据测试结果,测量精度误差低于2%符合题目要求。
(4)题目要求:
接通S1、S2,断开S3,调整直流稳压电源输出电压,使Us在32~38V范围内变化时,双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=30±。
测试结果如下:
表4电压调整率测试数据
直流稳压电源输出电压US/V
32
33
34
35
36
37
38
U2/V
根据测试结果,电压值基本能稳定在30±,基本满足题目要求。
(5)充放电效率及质量测量。
充电效率为95%,放电效率为97%,很好的达到了题目的要求。
五、结果分析
经测试,系统充电电流I1在1~2A范围内步进可调;设定I1=2A后,U2在
24~36V范围内变化时,充电电流I1的变化率小于1%;设定I1=2A,在U2=30V条件下,变换器的效率达到95%;12864实时显示充电电流的数值,精度误差小于2%;具有过充保护功能;放电模式时,保持U2=30±,变换器效率达到97%,满足题目要求。
六、参考文献
[1]周志敏,开关电源实用技术[M].北京:
人民邮电出版社,2007
[2]康华光,电子技术基础模拟部分[M].第五版.北京:
高等教育出版社,2006
[3]王兆安,刘进军,电力电子技术[M].第五版.北京机械工业出版社,2009
[4]RaymondA.Mack,Jr.开关电源入门[M].北京:
人民邮电出版社,2007
[5]张占松,蔡宣三,开关电源的原理与设计[M].修订版.北京:
电子工业出版社,2007
附件
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图1系统原理图