全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告.docx
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全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告
2013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12日
摘要
本系统以Buck和Boost并联，实现双向DC-DC交换，以STM32为核心控制芯片。
Buck降压模块使用XL4016开关降压型转换芯片，通过单片机闭环实现恒流输出控制。
放电回路选择Boost升压模块，以UC3843作为PWM控制器，组成电压负反馈系统，通过调整PWM的占空比，实现稳压输出。
系统能自动检测外部电源电压变化，在负载端电源较高时自动切换成充电模式，反之切换为放电状态。
系统具有过流、过压保护功能，并可对输出电压、电流进行测量和显示。
关键字：
DC-DC交换；Buck；Boost；PWM控制
Abstract
ThesystemisBuckandBoostparallel,toachievetwo-wayDC-DCexchange,STM32asthecorecontrolchip.TheBuckBuckmoduleusestheXL4016switchBuckconverterchip,takesthecurrentsignalintheoutput,controlsthefeedbackofXL4016,completestheclosed-loopcontrol,andrealizestheconstantcurrentoutput.BoostboostmoduleusesUC3843asthePWMcontrolchip,accordingtotheoutputvoltagenegativefeedbacksignaltoadjustthePWMsignal,theclosed-loopcontroliscarriedout,inordertoachievetheregulatoroutput.Systemcanautomaticallyswitchchargeanddischargemode,canalsobemanuallyswitch.Thesystemhasthefunctionofovercurrentandovervoltageprotection,andcanmeasureanddisplaytheoutputvoltageandcurrent.
Keywords:
bidirectionalDC-DCconverter,Buck,boost,PWMcontrol
双向DC-DC变换器（A题）
【本科组】
1系统方案
系统要求效率，所以恒压输出、稳流输出都应采用开关电路，鉴于本题目要求的功能，系统主要由恒压控制模块、恒流控制模块组成，另为了灵活调整输出参数并实时监控系统工作状态，运用单片机控制技术，还有支持系统控制系统工作的辅助电源。
1.1升、降压电路的论证与选择
方案一：
采用线性电源电路。
线性控制电路控制简洁，输出波形指标良好，电路简单，但缺点是效率极低，在当前的大功率电源应用场合已被淘汰，因题目对效率的要求，这里不能采用线性电源。
方案二：
正激、反激变换器。
电源调整管工作在开关状态，优化调整后其效率远高于线性电源；且有可以有灵活的参数设计满足不同的需求；有大量产品级方案可供借鉴，实现起来难度不大。
方案三：
当前流行的开关电源大多基于Buck、Boost基本电路拓扑结构或他们的结合，在对题目进行仔细分析后，系统需求的尽是升压和降压，在Buck、Boost基础上附加反馈控制就可完成任务，这样还可以省略繁杂的变压器参数设计，因电路简洁实现起来更加容易。
并且因为使用较少的常规元件，节省成本提高可靠性，符合产品设计的思路。
综合以上分析，选择方案三。
1.2系统组成及控制方法
方案一：
系统由Buck、Boost模块实现升压、降压任务，各模块所需PWM信号的由单片机提供，单片机AD采集实时输出量，经运算后通过改变占空比调整模块工作状态。
该方案电路最简单，各种控制灵活，缺点有单片机运算量过大，开关信号占空比受单片机限制，浮点运算的时延影响电路跟随，另外单片机容易受到功率管开关干扰而失灵。
方案二：
使用振荡器、比较器产生PWM波，由负反馈电路实现输出控制，单片机负责状态切换和测量显示，该方案原理易于理解，但自己装调的PWM电路在开关时容易出现振铃毛刺，直接影响了系统效率，并且要完善反馈控制对回馈信号要求较高。
方案三：
借用现有成熟PWM控制器，该类集成电路输出波形好，工作稳定，都具备至少一个反馈控制引脚，按照厂商提供的典型电路就可装调出应用电路。
但这类电路一般针对专用场合设计，借用时需要较多设计计算，特别是该类芯片的反馈有极高的控制灵敏度，在单片机参与时需要较多改动。
为提高系统性能选择方案三，降压回路使用XL4016，升压回路以UC3843为核心，控制单片机使用STM32，有很高的工作速度、丰富的外围资源，可以很好地完成系统控制任务。
2系统理论分析与计算
2.1电路设计与分析
2.1.1提高效率的方法
在电路的设计过程中，找到了影响系统效率的主要因素有三点：
功率变换器开关器件的开关损耗；感性元件的铁损和铜损；控制电路的损耗。
.
所以提高系统效率，我们可以从这三方面出发。
1．开关器件的损耗不可避免，但是可以采用低功耗的开关管和二极管。
采用MOS管做为开关管，IRF540型MOS管开关损耗小，其只在导通期间由开关损耗，适合频率比较高的工作场合。
采用肖特基二极管做为续流二极管，耐压高，损耗小。
如此选择器件可以降低开关器件的损耗，提高系统效率。
2.通过理论和实践验证，电感越大，纹波电流越小，电感损耗越大。
所以在满足要求的条件下减小电感，并且严格按照要求绕制电感，减小磁隙，线圈紧凑等。
3.在焊接时合理安排布局，减少开关信号走线的连接，可以在布局布线上减小损耗。
2.1.2控制回路分析
1.恒流输出：
在输出端检测采样电阻的电压，因为信号很小，经过20倍放大送至单片机，单片机将处理结果，经误差放大器送至XL4016的反馈端FB。
FB与内部1.25V基准电压比较，控制PWM信号，进而达到控制输出电流。
经过闭环负反馈系统控制，可以使输出电流恒定，起到了过流保护作用。
2.自动切换：
由单片机采集30欧负载两端电压，当电压低于30V时，系统工作在放电模式；当电压高于30V时，系统工作在充电模式。
此外，还可以手动切换工作模式。
3.液晶显示：
使用12864液晶屏，显示电池组的充电电流和充电电压。
充电电压是采集XL4016输出端的电压，当电压大于24V时，断开充电模式。
充电电流同XL4016反馈的电流信号，在单片机内部换算并显示。
2.2控制方法分析
UC3843是高性能固定频率电流模式控制器，电压负反馈均衡控制，每周期由斜波电流峰值关断。
UC3843的振荡频率由RT/CT引脚接的电阻电容决定，系统的开关频率为f=1.8（RT*CT）=60KHz。
PWM以60KHz的频率控制开关管的导通截止，电感L储存并释放能量。
PWM的占空比越大，开关管的导通时间越长，电感存储的能量越大；相反电感存储的能量越小。
稳压过程有两个闭环系统来控制，分别是恒压输出和过流保护。
恒压输出：
在输出端通过电阻分压采集比例电压信号，经电压误差比较器后平滑滤波。
积分器的电容大小影响系统的调节速度，即影响指标中输出的动态响应时间。
当采集的电压小于内部2.5V基准电压，使PWM调节器的输出脉宽增加，从而影响输出电压调节幅度。
2.3升压、降压电路参数计算
2.3.1元件选取
1.MOS管的选取
根据主电路中的工作电压及电流，结合MOS管的耐压、耐流及损耗性能，电力晶体管耐压高，且开关损耗大，适合工作频率比较低的场合，电力场效应管耐压比较低，但是开关损耗小，适合频率比较高的工作场合。
根据这里的情况，我们选用了。
考虑到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐量分别取2.5和2倍裕量，即应选取耐压高于40V，最大电流33A。
实际选用IRF540型MOS管。
2.二极管的选取
为降低续流二极管的导通压降，减少功率损耗，提高效率，选用肖特基二极管作为续流二极管。
根据主回路中的工作电压及电流，结合肖特基二极管的耐压、耐流及损耗性能，选用IN4746耐压40V最大电流为30A。
2.3.2电感计算
1.CCM工作模式下MOS开关管占空比D的计算：
2.当输出最大负载时若要使电流连续，则：
为开关导通时的压降和电流取样电阻上的压降之和，取06~0.9V
设电感纹波电流为平均电流的30%，即：
所以电感值：
电感的设计包括磁芯材料、尺寸选择及绕组匝数计算、线径选用等。
电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高。
磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。
而选用线径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温升。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示，主要包括DC-DC降压充电模块、DC-DC升压放电模块、MCU控制模块、显示单元、转换开关、稳压电源、电池组七部分组成。
本系统可实现手动和自动充放电模式选择。
图1系统总体框图
工作原理：
转换开关调整为充电模式，直流稳压电源输出大于30V电压，经降压模块以小于24V电压、2A恒定电流为电池组充电。
当转换开关调整为放电模式时，电池组输出电压经UC3843升压模块达到30V为负载供电。
3.1.2充电系统原理
充电系统那个框图如图2所示。
图2充电系统框图
采用XL4016做Buck调整，FB脚接电流负反馈。
由0.05电阻将电流信号转变为电压信号，并放大20倍，这时就将电流的误差也放大，使误差判断器更准确的判断误差。
单片机采集放大后的电流信号并给出基准电压，误差放大器判断将结果送入FB端，控制输出电压的变化，从而达到控制电流。
3.1.3放电系统原理
放电模式时，电池作为电源通过变换器提供高压侧负载能量，输出恒定30V电压到负载。
因为要求恒压输出，所以引入电压负反馈。
反馈回的电压信号接到UC3843电压反馈端，与内部基准电压比较，控制PWM波脉宽，因此达到控制输出电压的目的。
图3放电系统框图
PWM控制开关管导通，电感以v/L速度充电，把能量储存在L中。
当开关管截止时，L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以（U-Vo）／L的速度释放到输出电容器Cs中。
输出电压由传递的能量控制，传递的能量通过电感电流的峰值控制。
开关信号的频率为60KHz，可以达到稳定输出30V电压。
单片机采集负载电压，判断如果电压小于30V则转换充电模式，否则为返点模式，因此到到自动切换目的。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现AD采集、键盘设置和显示。
1）AD采集：
恒流充电电流采样，过压保护电压采样，自动切换电压采样。
1）键盘实现功能：
步进调节充电电流。
2）显示部分：
显示充电电流、输出电压。
2、程序设计思路
单片机上电后，实时采集充电电流，在单片机内部进行运算，通过液晶屏显示。
充电时单片机采集到电池充电电压，判断如果电压大于24V，则单片机控制开关断开，停止充电。
放电时，单片机采集负载两端电压，判断电压是否大于30V，如果大于则系统切换为充电模式，否则为放电模式。
3.2.2程序流程图
主程序流程图如图所示，自动切换子流程图如图所示。
图4主程序流程图图5自动切换程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试：
电流变化率测试：
设定充电电流为2A，当U2=36V时，测量充电电流值I11；U2=30V时，充电电流值I1；U2=24V时，充电电流I12，则电流变化的调整率SI1=|
|*100%。
（2）电路效率测量：
DC-DC变换器效率
，
。
（3）过流保护测试：
在电池组上串入滑线变阻器，时充电电压增加。
判断是否能在24V时停止充电。
2、软件仿真测试
利用proteus画出电路仿真图，进行电路的各项性能测试。
3、硬件软件联调
软件仿真结果与实测值进行比较，分析差异原因，找出改进方案。
4.2测试条件与仪器
测试条件：
多次检查仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：
直流稳压电源、信号源、模拟示波器、数字示波器、数字万用表、指针式万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果（数据）
1.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0.1A，电流控制精度不低于5%。
测量结果如表1.
表1电流步进精度测试（单位：
A）
设定值
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
实际值
1.03
1.08
1.22
1.28
1.45
1.51
1.64
1.76
1.84
1.92
1.98
精度（%）
3
1.8
1.6
2.3
3.5
0.6
2.5
3.5
2.2
1.1
2.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%。
结果如表2。
表2：
充电电流显示测量（单位：
A）
测量值
1
1.2
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
显示值
1.00
1.21
1.40
1.51
1.62
1.69
1.81
1.90
2.00
误差%
0
0.08
0
0.06
1.23
0.59
0.55
0
0
3．具有过充保护功能：
设定I1=2A，当U1超过阈值U1th=24±0.5V时，停止充电。
测试结果如下表3。
表3：
过保护功能测试
充电电压V
状态
23
充电
24.1
断开
4.电池放电时，输出稳压性能测试。
结果如表4所示。
表4：
放电稳压测试
电池（V）
17.5
18
19
20
21
22
23
放电（V）
29.7
30.06
30.18
30.19
30.21
30.23
30.24
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，可以得出以下结论：
1、在充电模式下，电流步进值不大于0.1A，误差精度小于5%。
2、具有良好的变化率和控制精度。
3、具有过程保护功能和较高的变换器效率。
4、放电模式时，30V稳压性能好。
可以自动切换。
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：
电路原理及实物
附录2：
主要程序片段
系统主程序
main（void）
{
uchartemp[4];
ulintPidTemp=0;
SYS_Clock_Init（9）;
Delay_Init（72）;
SYS_JTAG_Set（0x01）;
ADC_GPIO_Init（）;
ADC_Init（）;
DMA_Init（）;
ADC_Start（）;
DMA_Enable（）;
DAC_Init（）;
TIM2_Init（）;
//PID_init（）;
XL_6009_Init（）;
Delay_mS（500）;Delay_mS（500）;
LCD_GPIO_Init（）;
LCD_Init（）;
KEY_GpioInit（）;
KEY_Init（
mode_chongdian（）;
updatdisp_chongdian_shezhi（）;
updat_Dac（）;
while
（1）{
KEY_Task（）;
KEY_App（）;
if（Flag_1mS）{
DMA_Get_AD_Avg（）;
Flag_1mS=0;
guoyabaohu（）;
}
if（Flag_200mS>=1000）{
Flag_200mS=0;
updatdisp_chongdian_AD（）;
}
}
}
按键控制和状态切换：
voidKEY_App（void）{
TYPE_KEY_EVENTKey={KEY_VALUE_NULL,KEY_EVENT_NULL};
if（KEY_GetEvent（&Key））{
switch（Key.KeyValue）{
caseKEY_VALUE_1:
//
switch（Key.KeyMessege）{
caseKEY_EVENT_UP:
/
if（SYS_MOD==0）{/
SYS_MOD=1;
PBout（12）=0;
Chongdian_En=0;//ֹͣ
updat_Dac（）;
mode_fangdian（）;
}else{
SYS_MOD=0;
Chongdian_En=0;
}
break;
default:
break;
}break;
caseKEY_VALUE_2:
//
switch（Key.KeyMessege）{
caseKEY_EVENT_UP:
//switch（SYS_MOD）{
case0:
if（Chongdian_En==1）{
Chongdian_En=0;
}else{
Chongdian_En=1;
}updat_Dac（）;
break;
case1:
if（Fangdian_En==1）{
Fangdian_En=0;
PBout（12）=0;//
LCD_PutString（1,6,"ֹͣ"）;
}else{
Fangdian_En=1;
PBout（12）=1;
LCD_PutString（1,6,）
}
break;
default:
break;
}
break;
default:
break;
}break;
caseKEY_VALUE_3:
switch（Key.KeyMessege）{
caseKEY_EVENT_UP:
switch（SYS_MOD）{
case0:
DAC_Voltage+=5;
……
break;
}break;
caseKEY_VALUE_4:
switch（Key.KeyMessege）{
caseKEY_EVENT_DOWN:
break;
caseKEY_EVENT_UP:
switch（SYS_MOD）{
case0:
DAC_Voltage-=5;
if（DAC_Voltage>=200）{
DAC_Voltage=200;
……
}
}
}
电流控制：
voidupdat_Dac（void）{
ulintCon_temp;
Con_temp=DAC_Voltage*4096/330;
DAC_Out_Val=（usint）Con_temp;
if（（Chongdian_En）&&（Baohu==0））{
DAC_OUT（DAC_Out_Val）;
DAC_OUT（DAC_Out_Val）;
LCD_PutString（1,6,"Ǵ֯"）;
}elseif（（Chongdian_En==0））{
DAC_OUT（0）;
DAC_OUT（0）;
……
}
}
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