双向DCDC变换器A题报告.docx
《双向DCDC变换器A题报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双向DCDC变换器A题报告.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
双向DCDC变换器A题报告
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围步进可调；设定I1=2A后，U2在24~36V围变化时，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±0.5V，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
1.1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。
输入电压围：
2.8V至80V；输出电压1.3V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。
1.2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。
共模电压围-16到+36v，工作温度围-45°C到+125°C，在整个工作温度围，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，检测电流围大；部运放输出接近电源电压：
与V+差0.1V，与GND差3mV，工作温度围-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。
1.3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是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、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数据校验，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转换器，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4.096V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±10.24V、±5.12V和±2.56V的实际双极输入围以及0V到10.24V和0V到5.12V的单极输入围。
模拟前端在所有输入围的增益均经过精确微调，以确保高直流精度。
输入围的选择可通过软件进行编程，各通道输入围的选择相互独立，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。
1.4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。
输入电压围2.2v至40v，输出电压围2.7V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。
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%的围，振荡频率误差在±15%的围。
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
1.5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CMOS 8位单片机，片含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含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
2.1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
围步进可调，步进值不大于0.1A，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）
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
1.35
1.40
1.45
1.50
实际电流值（A）
1.04
1.11
1.13
1.21
1.24
1.29
1.33
1.38
1.44
1.49
按键次数
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
理论电流值（A）
1.55
1.60
1.65
1.70
1.75
1.80
1.85
1.90
1.95
2.00
实际电流值（A）
1.53
1.58
1.65
1.68
1.75
1.80
1.86
1.88
1.95
2.01
电流初始值1A，每按两次键，理论充电电流增加0.05A。
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
围变化时，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
1.98
1.98
1.99
2.00
1.99
2.01
根据电流变化率计算公式：
实际电流变化率为0.5%，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围测量精度不
低于2%。
测试结果如下：
表3显示电流测试数据
实际电流I1
1.012
1.235
1.436
1.645
1.805
2.003
显示电流IX/A
1.005
1.220
1.402
1.600
1.823
2.023
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围变化时，双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=30±0.5V。
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
30.2
30.6
30.7
29.5
29.7
30.1
29.5
根据测试结果，电压值基本能稳定在30±0.5V，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围步进可调；设定I1=2A后，U2在
24~36V围变化时，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±0.5V，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].：
人民邮电，2007
[2]康华光，电子技术基础模拟部分[M].第五版.：
高等教育，2006
[3]王兆安，进军，电力电子技术[M].第五版.机械工业，2009
[4]RaymondA.Mack,Jr.开关电源入门[M].：
人民邮电，2007
[5]占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计[M].修订版.：
电子工业，2007
附件
//AD8688IOSPI1PA4567
//OLED显示屏SCLKPA0SDAPA1
//SD关断开启模式SDboostPA2SDbuckPA3
//DA7612模拟法CSPB12SCLKPB13DINPB14
//按键key和板子上一样key1234
#include"include.h"
#include"TLV2543.h"
chara[8];
voidwork（void）;
intmain（void）
{
delay_init（）;//系统初始化
SDInit（）;
spi_init（）;//AD初始化
ADInit（）;
KEY_Init（）;//按键初始化
DAInit（）;//DA初始化
OLEDIO_Init（）;
OLED_Init（）;//初始化OLED
OLED_Clear（）;//清屏
work（）;
}
voidBoostmode（void）;
voidBuckmode（void）;
voidAutomode（void）;
staticu16U2;
staticu16U1;
staticu16Us;
staticu16Uc;
voidwork（）
{
OLED_Clear（）;//清屏
while
（1）
{
OLED_ShowString（0,0,"KEY1:
BUCKMode",16）;
OLED_ShowString（0,2,"KEY2:
BoostMode",16）;
OLED_ShowString（0,4,"KEY3:
AUTOMode",16）;
if（KEY_Scan（）==3）
{
OLED_Clear（）;
Automode（）;//进入自动模式
}
elseif（KEY_Scan（）==1）//降压模式
{
OLED_Clear（）;
SDboost=0;//关升压
SDbuck=1;//开降压
Buckmode（）;//进入降压模式
}
elseif（KEY_Scan（）==2）
{
OLED_Clear（）;
SDboost=1;//开升压
SDbuck=0;//关降压
Boostmode（）;//进入升压模式
}
}
}
voidBuckmode（）
{
floatCurrent;
inti=1000;
OLED_ShowCHinese（0,0,0）;//恒
OLED_ShowCHinese（18,0,1）;//流
OLED_ShowCHinese（36,0,2）;//模
OLED_ShowCHinese（54,0,3）;//式
DA_conver（2,1000）;//默认输入电压1V，控制电流1A
while
（1）
{
Current=Chan
（1）/100;//检测输出电流I11毫欧放大十倍
OLED_ShowString（0,6,"KEY4:
AddCurrent",16）;
if（KEY_Scan（）==4）//
{
i=i+50;
if（i==2000）
{
i=2000;
if（Chan
（2）>=23.5）//检测充电电压U1
{
SDboost=0;//关升压关降压
SDbuck=0;
OLED_Clear（）;
OLED_ShowString（0,0,"Error:
Reboot",16）;
delay_ms（10000）;
work（）;//出错返回开始
}
}
DA_conver（2,i）;//DA步进0.05V
}
sprintf（a,"%.3fA",Current）;
OLED_ShowString（0,2,a,16）;
}
}
voidBoostmode（）
{
OLED_ShowCHinese（0,0,4）;//恒
OLED_ShowCHinese（18,0,5）;//压
OLED_ShowCHinese（36,0,6）;//模
OLED_ShowCHinese（54,0,3）;//式
OLED_ShowString（0,2,"OUT:
30.0V",16）;
//DA输出2.5V，与U2反馈比较稳压30V
DA_conver（2,4096）;//DA7612输出A通道4.096V
}
voidAutomode（）
{
staticfloatAuto=0;
staticintj=1000;
floatUS;
while
（1）
{
US=Chan（3）;
if（US>=35.0）
{
OLED_Clear（）;
OLED_ShowCHinese（0,0,0）;//恒
OLED_ShowCHinese（18,0,1）;//流
OLED_ShowCHinese（36,0,2）;//模
OLED_ShowCHinese（54,0,3）;//式
DA_conver（2,j）;//默认输入电压1V，控制电流1A
while
（1）
{
Auto=Chan（4）/100;//检测输出电流I11毫欧放大十倍
OLED_ShowString（0,6,"KEY4:
AddCurrent",16）;
if（KEY_Scan（）==4）//
{
j=j+50;
if（j==2000）
{
j=2000;
if（Chan
（1）>=23.5）//检测充电电压U1
{
SDboost=0;//关升压关降压
SDbuck=0;
OLED_Clear（）;
OLED_ShowString（0,0,"Error:
Reboot",16）;
delay_ms（10000）;
work（）;//出错返回开始
}
}
DA_conver（2,j）;//DA步进0.05V
}
sprintf（a,"%.3fA",Auto）;
OLED_ShowString（0,2,a,16）;
if（Chan（3）>=35.0）
Automode（）;
}
}
else
{
OLED_Clear（）;
OLED_ShowCHinese（0,0,4）;//恒
OLED_ShowCHinese（18,0,5）;//压
OLED_ShowCHinese（36,0,6）;//模
OLED_ShowCHinese（54,0,3）;//式
OLED_ShowString（0,2,"OUT:
30.0V",16）;
//DA输出2.5V，与U2反馈比较稳压30V
DA_conver（2,4096）;//DA7612输出A通道4.096V
if（Chan（3）<=35.0）
Automode（）;
}
}
}
图1系统原理图
升级会员 