双向DCDC变换器全国大学生电子设计竞赛全国二等奖作品.docx
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双向DCDC变换器全国大学生电子设计竞赛全国二等奖作品
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15日
摘要
本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。
恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。
以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。
在本次设计中恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。
单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。
关键字电池充放电升压降压XL4016XL6019STM32
双向DC-DC变换器（A题）
【本科组】
一、系统方案
本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。
恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。
以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。
1、双向DC-DC变换电路的论证与选择
方案1:
由降压斩波变换电路（即Buck变换电路）和升压斩波变换电路（即Boost电路）组成双向DC-DC变换电路，分别各使用一个全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,对输入直流电源进行斩波控制通过调整全控型器件VT的控制信号占空比来调整输出电压。
方案2：
采用XL4016开关型降压芯片和XL6019开关型升压/降压芯片构成升压、降压电路具有低纹波，内助功率MOS,具有较高的输入电压范围，内置过电流保护功能与EN引脚逻辑电平关断功能。
综合以上两种方案，考虑到时间的限制，选择了比较容易实现的方案2。
2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择
由于瑞萨单片机开发套件数量有限，所以我们选择了一款相对便宜，速度快，性价比较高的STM32103V8T6作为控制器，显示部分由于收到题目对作品重量的要求，选择了质量轻，分辨率较高的0.96寸OLED屏幕显示。
由于市场上所售开关电源模块的，纹波大的因素，所以辅助电源选择了一个较小的9V变压器，进行，整流滤波作为辅助电源。
3、控制方法的论证与选择
方案1：
采用PWM调节占空比的方法控制降压芯片的控制端，达到控制恒流和控制恒压的目的，采用PWM调节软件较为复杂，而且PWM调节较为缓慢，软件控制难度大。
方案2：
恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。
单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。
综合以上两种方案，选择软件较为简单，硬件较为复杂的方案2。
二、系统理论分析与计算
1、充电电路设计分析
充电电路也就是一个降压电路，并且要求是一个恒流源，本次竞赛选取XL4016为核心降压芯片，其结构如图所示。
管脚定义如下典型应用电路如下
2.2放电电路设计分析
XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路，可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS。
XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。
PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。
内置过电流保护功能与EN脚逻辑电平关断功能。
典型应用电路如下
2.1充电电路设计分析
充电电路也就是一个降压电路，并且要求是一个恒流源，本次竞赛选取XL4016为核心降压芯片，其结构如图所示。
XL4016降压模块电路图如下所示
2.2放电电路设计分析
XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路，可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS。
XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。
PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。
内置过电流保护功
能与EN脚逻辑电平关断功能。
典型应用电路如下
三、电路与程序设计
1、电路的设计
（1）系统总体框图
（图3-1）
系统总体框图如图3-1所示，主要由辅助电源、测控电路、双向DC-DC变换电路等组成，辅助电源为测控电路供电，测控电路用于检测和控制双向DC-DC电路，以及电压电流的采集与控制。
（2）降压电路原理
降压电路采用XL4016型8A，180KHz，40V，PWM降压型直流对直流转换器，最大效率可达96%。
输出1.25V到36V可调，8A恒定输出电流能力。
如下图3-2所示为XL4016降压部分电路图，通过对FB引脚的控制，可有效的实现电流及电压的控制。
该转换器外围器件少，低纹波，调节简单，内置短路保护功能。
PWM占空比0%到100%连续可调。
（图3-2）
（3）升压电路原理图
升压电路使用XL6019型220KHz、60V、5A开关电流升压/降压型DC-DC转换器。
可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS、XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。
PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。
内置过流保护功能与EN脚逻辑电平关断功能。
使用单片机控制EN引脚实现对升压模块开启与关断。
（图3-3）
（4）测控电路电路原理图
测控电路如图3-4所示，通过电阻分压滤波后，使用单片机ADC采样，得到输入、输出电压，以及电流和2.5V基准电压，使用TL431产生2.5V基准电压用于矫正。
恒压恒流控制使用单片机输出PWM，经滤波后使用LM358跟随，增强驱动能力，同时可减小输入控制端的能量消耗。
使用比较器比较设定值与输出值，再控制芯片的工作状态。
（图3-4）
电源
为减小高频干扰，辅助电源使用220V到9V普通变压器，经整流滤波后使用7812和HT7333分别输出12V和3.3V电压为LM358和单片机小系统板供电。
2、程序的设计
（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，软件部分实现测量显示，切换模式，充电过压保护，控制调节系统。
2、程序设计思路
（1）、首先进行，按键，OLED各个内设初始化；
（2）、进行按键扫描；
（3）、判断模式；
（4）、进行PWM控制电流，让输出为横流模式；
（5）、扫描按键；
（6）进行打开光耦，让升压模块工作；
3程序流程图
1、系统总框图
Vin/Vout
2、程序流程图
四、测试仪器与数据分析
4.1测试仪器
5位半数字万用表，4位半万用表
4．2测试数据与分析
（1）U2=30V条件下对电池恒流充电，电流I1在1-2A变化过程中测量值如下表：
按按键次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I1测量值（A）
1
0.99
1.01
1.06
1.07
1.10
1.12
1.14
1.16
1.17
，
（2）设定I1=2A，使U2在24-36V范围内变化时，测量记录I1的值。
数据如下：
U2（V）
24
25
26
27
28
29
30
31
32
36
I1（A）
1.99
1.98
1.98
1.99
1.97
1.98
1.99
1.96
2.01
1.99
（3）设定I1=2A，在U2=30V，测量U1，I2，计算效率。
数据如下：
当I1=2A，U2=30V时，测得I2=1.47A，U1=20V，由此计算效率为97%。
（4）放电模式下，保持U2=30V，计算效率，数据如下：
当U2=30V时，I2=1.02A，U1=18.9V，I1=0.63A，由此计算效率为98%。
（5）使US在32-38V范围内变化时U2记录如下：
Us/V
32
33
33
34
35
36
37
U2/V
29.7
29.8
29.8
29.9
29.8
30.3
30.4
以上数据可以说明，本次设计的双向DCDC变换器，各项指标均在题设范围内，是符合要求的。
附录1：
电路原理图
附录2：
源程序
#include"adc.h"
#include"delay.h"
#include"sys.h"
#include"usart.h"
#include"delay.h"
#include"led.h"
#include"beep.h"
#include"key.h"
#include"exti.h"
#include"wdg.h"
#include"myiic.h"
#include"timer.h"
Intmain（）
{
voidAdc_Init（void）
{
RCC->APB2ENR|=1<<2;
GPIOA->CRL&=0XFFFF0000;
//í¨μà10/11éè?
?
RCC->APB2ENR|=1<<9;
RCC->APB2RSTR|=1<<9;
RCC->APB2RSTR&=~（1<<9）;
RCC->CFGR&=~（3<<14）;
RCC->CFGR|=2<<14;
ADC1->CR1&=0XF0FFFF;
ADC1->CR1|=0<<16;
ADC1->CR1&=~（1<<8）;
ADC1->CR2&=~（1<<1）;
ADC1->CR2&=~（7<<17）;
ADC1->CR2|=7<<17;
ADC1->CR2|=1<<20;
ADC1->SQR1|=0<<20;
ADC1->SMPR2&=~（7<<3）;
ADC1->SMPR2|=7<<3;
ADC1->CR2|=1<<0;
ADC1->CR2|=1<<3;
while（ADC1->CR2&1<<3）;
ADC1->CR2|=1<<2;
while（ADC1->CR2&1<<2）;
}
u16Get_Adc（u8ch）
{
ADC1->SQR3&=0XFFFFFFE0;
ADC1->SQR3|=ch;
ADC1->CR2|=1<<22;
while（!
（ADC1->SR&1<<1））;/
returnADC1->DR;
}
u16Get_Adc_Average（u8ch,u8times）
{
u32temp_val=0;
u8t;
for（t=0;t{
temp_val+=Get_Adc（ch）;
delay_ms（5）;
}
returntemp_val/times;
}
}
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