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双向DCDC变换电源论文
双向DC-DC变换电源研究
苏州大学应用技术学院电子信息科学与技术（学号1216405027）沈晖
摘要
研究并设计了一款双向DC-DC变换电源，主要针对DC-DC变换电源效率以及对电源的智能控制问题，通过Buck拓扑结构为降压模块对锂电池放电，Boost拓扑结构为升压模块对锂电池充电，两种模块组建成系统核心。
控制模块是通过MOS管进行电路切换以及通过STM32单片机的DAC产生模拟量控制输出电流组成。
系统的电流输出范围为0.6A到2.4A，输出电压的范围在3.3~7.5V内变换。
系统通过调节反馈的基准电压对电压进行升降可控，并且通过按键电路能够对输出电流步进可调，可调值在50mA左右,通过这两种方式从而实现DC-DC电源可调功能。
同时系统使用OLED实时显示单片机的反馈电压与输出电流。
系统可以在MOS管控制端输入高电平时，升压压电路在给锂电池充电的同时，还能直接通过降压压电路进行降压。
通过系统最终结果可以给便携式电子设备进行充电。
关键词：
DC-DC变换电源；STM32F103RCT6；Buck/Boost拓补结构；OLED
Abstract
Studyanddesignofabi-directionalDC-DCpowerconversion,mainlyforDC-DCpowerconversionefficiencyandtheintelligentpowercontrolproblems,thebuckmodulelithiumbatteryisdischargedbyBucktopology,BoosttopologyBoostmodulelithiumbatterycharging,bothmodulestoformacoreofthesystem.ThecontrolmoduleisswitchedbyMOStubecircuitryandanalogcontroloutputcurrentcompositionproducedbySTM32microcontrollerDAC.Currentoutputrangeofthesystemis0.6Ato2.4A,theoutputvoltageconversionrangewithin3.3~7.5V.Systembyadjustingthevoltagefeedbackreferencevoltageisraisedandloweredcontrollableandcapableofsteppingontheoutputcurrentisadjustablethroughthekeycircuit,theadjustablevalueofabout50mA,bythesetwomethodsinordertoachieveDC-DCpoweradjustablefeatures.AtthesametimethesystemusesOLEDdisplayreal-timemicrocontrollerfeedbackvoltageandoutputcurrent.ThesystemcancontrolthetubeendwhenMOSinputhigh,theboostpressurecircuittotherechargeablelithiumbattery,whilealsodirectlythroughthestep-downvoltagestep-downcircuit.Totheportableelectronicdevicecanbechargedbythefinalresultofthesystem.
Keywords:
DC-DCpowerconversion;STM32F103RCT6;Buck/Boosttopologystructure;OLED
前言
21世纪的如今，电子科技在迅速的发展，同时也带动了整个电子行业的发展。
电子产品在不断的更新替换，但是它在使用中却离不开最基础也是最重要的能量。
因为市场的需求变促进了便携式充电产品的产量增长，也使得电池充放电技术得到了提升。
开关电源根据其工作方式分为直流式和交流式。
在本次设计中，我所使用的是直流开关电源，所以本次就对直流开关电源进行详细介绍。
直流开关电源的功能是将电能质量较差的市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电源。
其核心是DC-DC转换器。
直流DC-DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为隔离式DC-DC转换器和非隔离式DC-DC转换器。
非隔离式DC-DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。
单管DC-DC转换器共有六种，在这六种单管DC-DC转换器中，Buck和Boost式DC-DC转换器是基本的同时双管DC-DC转换器有双管串接的升压式DC-DC转换器以及四管DC-DC转换器常用的是全桥DC-DC转换器。
DC-DC电源模块在各类数字仪表和智能仪器以及各电子电力领域中被广泛的使用。
随着封装技术的不断提高和大批量使用的高频软开关，开关电源的功率的密度也在不断地提高，转换效率可以说接近百分之分百，在应用方面操作也在不停的简化。
本文介绍了一种以STM32单片机为处理器，Buck/Boost变换器为核心，使用PWM进行自动升降压模块，进行充放电功能。
此次论文对系统的硬件电路以及软件程序设计进行介绍。
论文中的硬件部分它是由系统的各个组成模块的原理部分及应用部分进行组合介绍。
包括了介绍了硬件电路中的模块电路以及简单的介绍其关键的元器件的参数等，同时在这基础上还对数据进行计算以及数据的分析；软件部分是由阐述系统部分和关键子程序的软件设计以及实现思路的整体介绍。
第1章理论分析及总体方案
第1.1节总体框架
图1-1所示是双向DC-DC变换电源的系统结构框图。
硬件系统由STM32控制电路、、DC-DC变换电路、电流采样电路、显示电路电路、电源电路组成。
本方案拟用STM32微处理器作为总控制器，实现对整个系统的检测与控制。
首先通过Boost升压电路将外部电源电压转化为18650电芯充电电压，给18650电芯充电，完成能量的存储。
充电结束后，18650电芯作为电源处于自然放电状态，经过BUCK降压电路给外围负载供电，同时STM32单片机可以使用PWM波进行实时的控制。
而且，电流电压检测模块也在不停将检测到的数据传给STM32处理器，并且，STM32微处理器还可以将这些数据，例如：
PWM波的频率，占空比，输出电流和电压的数值等，显示到OLED显示器上。
图1-1双向DC-DC变换电源系统结构框图
第1.2节方案比较
通过上面的总体方案，需要选择相应的器件与模块，现通过以下的方案比较来选择模块与器件。
1.2.1双向DC-DC变换电源电路方案比较
方案一：
恒流源充电，恒压源放电
使用LM2596分别做两个电路，一个是使用MAX417和LM2596做恒流源，实现外部电源给电池恒流充电，另一路使用LM2596作恒压源，实现电池给负载供电。
本方案使用的主要是模拟电子技术的内容，通过将LM2596的输出使用MAX417来进行电流采样，把4脚改成对地接个电阻，然后原2脚接线方法不变作为输出正极，4脚作为输出负极就行了，改变电阻阻值就能改变恒流电流大小，保证输出电流不变。
输出端使用LM2596做恒压输出，输出端端接反馈电阻网络。
将输出电压通过反馈电阻网络分压后的值与基准值1.23V进行比较，若电压有偏差，通过放大电路计算后控制内部的PWM输出电路改变占空比，调节输出电压使其保持稳定。
该方案实现简单，但是对焊接以及元器件精度要求很高，同时难以实现数控。
方案二：
基于Buck/Boost拓扑结构实现开关电源
本方案是通过，用BOOST来升压实现给电池充电，用BUCK电路作为降压恒流源电池实现给负载供电。
使用PWM发生器产生一路可调占空比的PWM波，然后直接去驱动桥式整流，实现整流功能，即可以实现降压电路和升压电路的直流斩波降压功能和直流斩波升压功能。
升压电路和降压电路可以实现自动转换进行交替工作，同也可以使用MCU制作只能控制器控制升降压电路。
同时，加入了MCU后，能够达到很好的控制效果。
实现这两个电路都是通过场效应管和续流二极管共同工作达成的，但是这样的电路往往普遍存在效率低的缺点。
方案三：
基于同步整流的BUCK和BOOST拓扑结构实现变换电路。
本方案与方案二类似但使用了同步整流电路。
同步整流是现在做电源的很好的一个整流电路，它可以很好的提高效率。
这里的降压芯片采用KIS-3R33S非隔离式降压，采用同步整流。
输入电压7V至24V输出电压5.01V,电流连续2.5A输出峰值4A输出！
能够提供3A的持续负载电流。
具备超高效率，超低损耗的特点，相对于lm2596电源模块有很大的优势。
升压电路仍旧使用非同步整流式的boost升压电路。
在电池放电过程中，电池作为电源，能量有限，因此需要严格要求效率等问题。
在给锂电池充电的过程中，电源来自市电，注重点从效率稍微往充电的速度倾斜。
在此使用较大功率的XL6009芯片实现升压电路。
同时，该方案能够有效的和MCU结合，实现智能控制和实时的电流电压采样十分方便。
综上所述，本设计使用方案三。
1.2.2电流采样方案比较
方案一：
使用运放和电阻
这种方案有两种拓补结构一种是较简单的方式，通过测量精密电阻两端的电位差，测得精密电阻两端的电压，用公式I=U/R计算得出流过精密电阻的电流。
还有一种较高级的是采用高要求的运放和电阻，将运放的两个输入端接到精密电阻两端，测得精密电阻两端的电位差，通过I=U/R计算得出流过精密电阻的电流。
该方案优势在于成本低，精度较高，体积小巧。
但是总的缺点在于精密电阻选择较难，同时温飘较大，而且对电路没有隔离效果。
同时上述两种拓补结构也都有一定的风险性，简单方式中电路易对地线产生干扰，高级方式中电阻和运放的选择要求太高。
方案二：
电流互感器
电流互感器CurrentTransformer工作原理和变压器类似，通过互感器将一侧电流的转化到副线圈上并将其转化为一个容易测试的范围。
根据变压器理论，主侧、副侧电压比等于匝数比，通过的电流比为匝数比的倒数。
而CT和变压器的原理类似，可以理解为一种特殊的变压器。
在其结构上，CT的主侧匝数相对于副侧匝数要少很多，所以如果副侧线圈开路，会导致电压急剧升高，击穿绕阻和回路的绝缘，严重影响设备和人员安全。
其工作特点和要求如下：
1、原边绕组与高压回路串联，只取决于所在高压回路电流，而与副边负荷大小无关。
2、副边回路不能出现开路，开路后会产生高压危险，形成重大安全隐患。
3、CT副边回路必须有一点直接接地，防止绕组绝缘击穿后产生对地高电压。
4、变换的准确性。
该方案结构简单可靠，便于维护，寿命较长，价格便宜。
不过它的重量很大，精度低。
方案三：
模块型霍尔电流传感器
模块型霍尔电流传感器根据工作方式分开环工作模式与闭环工作模式。
使用开环工作模式的传感器也称为直接测量式霍尔电流传感器，将输入的电流转化为电压输出。
这个解决方案的优势主要是结构简单，它的测量结果的精度和线性度都比较好，能满足要求。
直流、交流和各种波形的电流都能直接测量。
但是，它的测量范围、带宽等均受到了一定的限制。
闭环工作模式是将霍尔电流传感器输出的电压进行放大，接着进行电流放大，让该电流通流经补偿线圈，使得补偿线圈产生的磁场方向和被测电流产生的磁场方向正好相反，达到磁平衡。
这个平衡是一个自动建立的动态平衡。
只要极短的时间就可以建立平衡。
在平衡的过程中，霍尔器件处于零磁通状态。
磁芯中的磁感应强度极低，理想情况下接近于零，不会使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。
恰当地选择磁芯材料和线路元件，可以做出性能优良的零磁通电流传感器。
综上所述，本设计使用方案三。
1.2.3输出电流方案比较
方案一：
使用STM32芯片产生PWM波来控制输出电流
编写程序产生两路互补的PWM波，同时外加驱动电路，直接去驱动同步整流桥，然后在程序里面做到闭环控制，让设定的PWM波的占空比能很好的跟踪输出，程序难度相对大，而且可靠性相对一般。
但是使用方便，不需要加额外的PWM产生装置，简化电路，减少误差。
同时也存在STM32判断程控延时较大，导致整个系统产生震荡。
方案二：
使用DAC和减法模拟电路控制
使用STM32的DAC功能产生一个可以设置的模拟量。
再通过采样电阻和一个同相放大电路将输出的电流值进行反馈，将DAC模拟量和反馈的电流值通过一个比较器控制一个三极管。
来改变和控制输出电流的大小。
该方案需要的功耗较高，但是反馈控制速度快，能使输出电流平坦，保持在一个线性区域。
1.2.4微处理器方案比较
方案一：
STC89C52
STC89C52是由STC公司生产的，低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，拥有8KB的在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用的是经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选[7]。
方案二：
STM32F103
采用STM32F103RCT6单片机作为系统控制器，STM32F103RCT6是由意法半导体公司出品的STM32F103系列的微处理器。
STM32最高频率可达72MHz，它有零等待的存储器访问、基于哈佛结构并带有3级流水线特性和其高效的处理效率保证能够实时高效的处理水表取数和上传数据。
STM32自带64k字节Flash，它具有多种低功耗模式：
等待、活跃停机、停机模式，外设的时钟可单独关闭。
在停机模式下，STM32的功耗仅仅4.5uA左右，完全能够满足智能控制的供电要求，这实现并保证了整个系统的低功耗特性[9]。
为满足本设计要求，选用高性能的STM32处理器，即方案二。
第1.3节整体方案综述
经过以上的方案比较与选择可得到以下整体方案的确定：
该系统有单片机控制模块、OLED显示模块、电流检测模块、电源模块、升压电路和同步降压电路组成。
电源模块主要给单片机供电，通过STM32RCT6单片机智能控制，实现程序控制电流大小，可步进调节。
双向DC-DC变换电路可自动转变，当输入5V时，通过升压模块转变为8.4V给18650电池充电，当输出电路接通时，锂电池作为电源进行放电。
通过降压模块，向外输出5V电压。
输入和输出的电流电压可以用OLED显示器进行实时的显示。
第2章系统硬件电路设计
第2.1节双向DC-DC变换电源电路设计
设计中采用的微处理器是STM32F103RCT6单片机。
STM32F103RCT6运行速度可达72MHz，系统与外部联通接口有CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB，芯片自带外围设备有DMA，电机控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM，WDT。
芯片输入/输出IO口数为51，芯片程序存储器容量：
256KB。
程序存储器类型：
FLASH，RAM容量：
48K，芯片电压-电源（Vcc/Vdd）：
2V~3.6V，芯片振荡器型：
内部，封装/外壳：
64-LQFP[8]。
其引脚分布如图2-1所示：
图2-1单片机引脚图
单片机由AMS11173.3作为系统的电源转换芯片，ASM11173.3是一个正向低压降稳压器，作为STM32的供电电源芯片刚好合适，系统电源部分由AMS11173.3转换从电池外部降压电路中取得的5V电压转换成3.3V为其供电[9]，电源部分原理图如图2-2所示。
图2-2电源电路
STM32F103RCT6有3种复位方式：
外部RST引脚复位，软件复位，看门狗复位。
如图2-3，外部RST引脚从外部复位到NRST引脚复位脉冲一定宽度，从实现的微控制器的复位[10]。
NRST引脚出厂配置为RST复位引脚应被配置为I/O端口，在ISP编程设定。
如果NRST不在STC-ISP编程设置的I/O端口输入引脚NRST是芯片复位。
RST复位引脚为高电平并保持至少24个时钟加为10μs，单片机将进入复位状态时，RST复位引脚回到低电平时，单片机结束复位状态，并从0000H部门的用户程序区启动正常工作。
图2-3复位电路
STM32F103RCT6单片机有两个时钟源：
内部的R/C振荡器时钟和外部晶振时钟。
工厂标准配置是使用芯片的R/C振荡器，其频率为8MHz，则内部的R/C振荡频率将会存在一个数字温度漂移[12]，再加上制造错误的，因此内部的R/C振荡器只适合的时钟的频率不要求高精度的场合。
单片机的OSC脚接了这两个晶振振荡器电路电路如下图2-4所示。
图2-4晶振震荡电路
STM32F103RCT6除了USart串口通信还有SPI通信和CAN通信，它主要是主从方式通信，这种通信模式通常有一个主机多个从机，标准的SPI是4根线，分别是SSEL（片选，也写作SCS）、SCLK（时钟，也写作SCK）、MOSI（主机输出从机输入MasterOutput/SlaveInput）和MISO（主机输入从机输出MasterInput/SlaveOutput）。
本芯片的20-23脚为SPI1这些引脚也可以设置为普通的I/O口[14]。
33-36脚则是SPI2。
44、45脚为CAN通信口。
本设计用jlink仿真器来仿真与下载程序，下载方式则是用SWD模式。
相比于JTAG模式，SWD模式可以用相对较少的线来达到烧写程序的目的。
SWD模式只需要接四根线就可以完成烧写。
VCC、GND、SWCLK（49脚）、SWDIO（46脚）。
电路如图2-5所示。
图2-5SWD电路
在每个STM32上都有BOOT脚，当MCU复位时，BOOT脚的电平状态决定芯片复由哪个个区域开始执行程序。
BOOT0=0，不在乎BOOT1的电平，用户闪存启动，一般使用该模式。
当BOOT1=0 ，BOOT0=1 时，从系统存储器启动。
当BOOT1=1，BOOT0=1时，从内置SRAM启动。
芯片剩下的51脚为输入/输出IO口，本设计中用到的口如下所示：
第2.2节Boost升压电路设计
本设计子模块中的Boost升压电路采用了XL6009作为升压芯片，XL6009具有输入、电源开关、接地、反馈和使能端5个引脚。
单片机控制电压是因为芯片的使能端处于高电平时芯片处于导通状态，而芯片处于低电平时芯片便不能工作，而芯片的默认是高电平，在无使能控制时，芯片是处于工作状态。
所以通过芯片的使能端接通单片机的I/O口，用单片机产生脉冲宽度调制对芯片进行控制从而控制电压的升降。
VIN：
输入
SW：
电源开关输出
FB：
反馈
EN：
使能端
GND：
接地
XL6009升压电路如下图2-6所示。
图2-6XL6009升压电路
第2.3节同步整流Buck电路设计
本设计子模块中的同步整流Buck降压电路使用的是KIS-3R33S，KIS-3R33S模块采用了MPS的MP2307为核心器件的降压式DC-DC模块，是一款广为使用的降压型DC-DC模块，主要是因为他性能优秀，能做到很高的指标，更主要的是成本十分低廉。
采用两个内置的MOSFET进行同步整流，效率可达95%。
其基本的工作原理，就是首先导通IN和SW的MOS管，使电感储能，然后控制充电的的MOS管断开、放电的MOS管的闭合，使电感的电流能够继续通过充电的MOS管流动。
根据输出端的反馈，闭环控制开关的占空比，达到控制输出的目的。
同步整流，原理就是用MOS管替代整流二极管，让二极管导通需要一定的电流，就产生了功耗，而MOS管导通只需要外加开启电压就可以了，没有电流通过，也就减少了能量的流失。
MOS管也有续流的作用。
MOS管的导通电阻小，开关速度速度快，使得整流的压降减少到一个很低的值，大幅提高效率，尤其是对低压输出的场合。
KIS-3R33S降压电路如下图2-7所示。
图2-7KIS-3R33S降压电路
第2.4节电流检测电路设计
ACS712是Allegro推出的一款线性电流霍尔传感器，它内置有十分精确的低偏置的线性霍尔传感器模块，能根据检测到的交流或直流电流输出相对应的电压值。
其特点有使用方便，性价比高，绝缘电压高，低噪声，响应时间快，在50千赫带宽时响应延迟大约在5us，误差低，误差最大为4%左右，输出灵敏度很高，在66mV/A到185mV/A，经常应用于电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过流故障保护等，特别是那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘器或其他昂贵绝缘技术的应用中。
ACS712的封装是SOIC8，它拥有有八个管脚，采用单电源5V供电。
其中引脚1和2、3和4均有内置保险，1和2、3和4分别为待测电流的输入端和输出端。
8脚和5脚分别为VCC和GND，是供电的电源脚。
7脚为VOUT，将电流转化为电压由此脚输出。
6脚接电容接地，主要用来设置带宽。
该器件中，被测电流流经的通路的内电阻为1.2mΩ，即使是大电流也具有较低的功耗。
被测电流通路与传感器引脚的绝缘电压>2.1KVRMS，几乎是绝缘的。
流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔传感器感应到并将其转化为成比例的电压。
通过将磁信号尽量靠近霍尔传感器来实现器件精度的最优化。
精确成比例的输出电压有稳定的斩波型低偏置BICMOS霍尔集成电路提供。
稳定斩波技术是一种新技术，它给片内的霍尔元器件和放大器提供最小的偏置电压，该技术主要是用来消除芯片由于温度所产生的输出漂移。
ACS712检测电路如图2-9所示。
图2-9ACS712检测电路
第3章系统软件设计
硬件是一个系统的基础，而软件则是系统的灵魂。
设计中可以使用到的语言有汇编语言和C语言。
双向DC-DC电源变换器的硬件设计完成,软件的任务也就明确。
在进行系统的软件设计时,根据系统的功能,将软件分为几个独立的部分,分别对应不同的硬件模块,设计出软件总体结构,画出程序流程框架图。
双向DC-DC电源变换器设计的软件设计主要包括三个部分:
PWM产生部分、电流检测部分、显示部分。
第3.1节DAC程序设计
STM32的DAC是指数字/模拟转换模块，是由12位数字输入，电压输出的数模转换器。
它可以配置成8位的模式，也可以和DMA控制器配合使用。
在一般的12位工作模式下，数据的对齐方式可以是左对齐，也可以是右对齐，但是在8位的工作模式下，是固定的右对齐，它有两个通道，可以单通道使用，也可以双通道使用。
STM32的DAC主要有以下特点。
1、拥有两个DAC转换器，每个转换器对应一个输出通道。
2、可以配置为8位或者12位单调输出。
3、12位模式下数据可以选择左对齐或者右对齐。
4、拥有同步更新功能，包括噪声波形的生成，锯齿波形的生成。
5、双DAC通道同时或者分别转换。
且每个通道都有DMA功能
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