国赛技术报告

双向DC-DC变换器（A题）设计报告

摘要本系统采用DC-DC恒流降压电路和DC-DC稳压升压电路实现双向DC-DC 转换，并且能够高效对锂电池的充电放电。该系统利用STM32F103C8T6单片机的12位高精度的ADC采样进行运算处理，并对继电器的闭合进行控制从而完成对蓄电池冲电放电工作模式的自动转换。实验测得，该系统电路在充电工作模式下转换将近90%，在放电模式也达到90%，充电电流步进精度达到0.01A，具有阈值20+-0.5V的过流保护功能，并能显示输入电压与输出电压，基本达到了试题的要求。

关键词：高效充放电；降压恒流；过流保护；32位微处理器；高精度AD采样

双向DC-DC变换器（A题）

一、方案论证

1.DC-DC降压模块方案选择

(1)方案一：普通电阻串联分压降压。电路及原理都很简单，容易实现。但是功耗大，造成极大浪费，不安全，性能差。

(2)方案二：后级为降压电路，采用Buck拓扑。Buck电路由脉宽调制芯片、开关管、电感、续流二极管组成，如图所示。经过分析对比，脉宽调制芯片选用UC3842能直接驱动双极型的功率管或场效应管，电压调整率可达0.01%，工作频率最高达500KHz，启动电流小于1mA。通过这样技术路线把设计简单化、模块化，能使电路的制作和调试更加简单，成功的概率大大提高。

综合比较，选用方案二。

图2 BUCK电路

2, DC-DC升压模块方案选择

(1)方案一：串联开关电路形式。开关管V1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。该电路属于降压型电路，达不到题目要求的30--36V的输出电压。

(2)方案二：并联开关电路形式。并联开关电路原理与串联开关电路类似，但此电路为升压型电路，开关导通时电感储能，截止时电感能量输出。只要电感绕制合理，能达到题目要求的30--36V，且输出电压Uo呈现连续平滑的特性。

(3)方案三：串并联开关电路形式。实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂。

由于这部分只需升压，故选择方案二。

图3 串联开关图4 并联开关图5 串并联开关

3. 测控电路及辅助电源方案选择

(1)方案一：采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。

(2)方案二：采用恒频脉宽调制控制器TL494，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1--300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。

（3）方案三：采用多个继电器向单片机反应电平从而控制电路中开关的闭合实现充放电工作模式的自动转换。调整速度快，控制简便易行。

综合比较选择方案三。

二、电路与程序设计

1,双向 DC-DC 主回路

DC/DC 开关稳压器自问世以来，广泛应用于各种电子设备中，用作恒压源，当负载电流在额定范围内变化时，其输出电压保持不变。DC/DC 开关稳压器的原理框图如图6所示。

图6 DC-DC恒流稳压电路

2.元器件的选择

主要由功率开关管、储能电感、滤波电容、开关管和续流二极管组成。利用无源元件电感和电容的能量储存特性，从输入电压获得能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感中，或者以电场的形式存储在电容之中，然后将其变换到负载，这样就完成升压功能。

3.测量电路

采用STM32F103C8T6单片机的12位精度的ADC采样，I1电流通过在电池串联0.1欧姆的康铜丝并测压降，再经过计算得I1。U1和U2 分别通过10K和120K 电阻网络分压并采样获得，再按比例放大得U1和U2.

4.控制程序

程序功能设计，该设计利分别对采样电阻检测的电压、电流信号先经比较器整形，然后通过计算得到并控制液晶屏显示输出电流和电压。该方法易于操作，而且通过等精度法测相，可达到很高精度，从而能很好满足系统要求。

5.过流保护电路设计

本设计输出过流保护电路如图4.4所示，该电路由MOSFET管、12V稳压管、27V稳压管、可控精密稳压源TL432组成。通知电路网络，可设置电流阈值为

2.5A 。当在阈值范围内，栅极电压为12V ，电路正常输出36V ；超过阈值时，稳压管ZMM1导通，电路进入保护状态，输出2.5V 。

三、理论分析与计算

1.主回路主要器件参数选择及计算

（1）Boost 升压电路器件的选择及参数计算

选择导通电阻小的IRFP360作为开关管，其导通电阻仅为77m Ω（V GS =10V, I D =17A ）。IRF540击穿电压V DSS 为55V ，漏极电流最大值为28A （V GS =10 V ， 25°C），允许最大管耗P CM 可达50W ，完全满足电路要求。 （2）肖特基二极管的选择

选择ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1 A 电流时仅为0.35V ，并且恢复时间短。实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。

(3)电感的参数计算 ()2

O

O IN O IN B fU mI U U U L -= 其中，m 是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20 kHz,输出电压为36V 时，L B =527.48μH ，取530μH 。

1） 电感线径的计算：最大电流I L 为2.5A ，电流密度J 取4 A/mm 2，线径为d,

则由L I d J =2

2

*）（π得d=0.892 mm,工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。

（4）电容的参数计算 O

O IN O O B U f U U U I C ?-=

）（ 其中，ΔU O 为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,U O =36V 时,C B =1465μF,取为2000μF ，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR ），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。 2.控制方法与参数计算

Boost 变换电路由Q1、电感L1、二极管D1和输出电容C0组成，原理图如图4所示：在dc V 和开关管Q1之间串接电感L1，电感的下端通过整流二极管D1给输出电容C0及负载供电。当Q1在Ton 时段导通时，D1反偏，L1的电流线性上升直到/1P dc dc I V t L = ,此时了L1存储了能量

22

1

0.5121()

P P E L I L I =

=

图8 Boost 变换电路原理图

由于在Q1导通时段输出电流完全由C0提供，所以C0应选得足够大，以使在Ton 时段向负载供电时其电压降低能满足要求。

Q1关断时，由于电感电流不能突变，L1的电压极性颠倒，L1异名端电压相对同名端为正。L1同名端为dc V 且L1经D1向C0充电，使C0两端电压高于dc V ，此时电感储能给负载提供电流并补充C0单独向负载供电时损失的电荷。若Q1下次导通之前，流过D1的电流已下降到零，则认为上次Q1导通时存储于L1中的能量已释放完毕，电路工作于不连续模式；反之若电流在关断时间结束时还未下降到零，则由于电感电流不能突变，Q1下次导通时电流上升会有一个阶梯，此时称电路工作于连续模式。输出电压的调整是通过负反馈环控制Q1导通时间实现的。若直流负载电流上升，则导通时间会自动增加为负载提供更多能量。若dc V 下降而Ton 不变，则峰值电流即L1的储能会下降，导致输出电压下降。但负反馈环会检测到电压的下降，并通过增大Ton 来维持输出电压恒定。 3.提高效率的方法

经分析计算，本设计的工作损耗主要有三个方面。与开关频率有关的损耗，包括开关管的开关损耗、电感的铁损以及吸收电路的损耗。通态损耗，包括开关管的导通损耗、电感的铜损以及线路损耗。其他损耗，如控制电路损耗。本设计从以下方面减小损耗以提高效率： （1）选取合适的开关管

采用N 沟道增强型绝缘栅极场效晶体管（MOSFET ）作为开关管，其导通电阻小、开关损耗小、 工作频率较高，适用于中低功率场合。开关管平均电流： (为电源输出平均电流，为输入电压最小时的最大占空比，为输出电流)。开关管截止时承受的最大电压为输入电压最大值与输出电压之间的压差，为尽量减小开关导通损耗，选取开关管的开关电流容量，瞬态最大电流(电感峰值电流)。 （2）选取合适的开关频率

为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；但为了避免在最小开关频率处出现人耳能感知到的噪音。综合考虑后，选取开关频率为20kHz。

（3）开关管零电流导通控制

场效应管晶体管的导通受控于MC33262芯片内的零电流检测器，当零电流检测器中的电流降为零时，MOEFET导通，此时蓄电池开始储能，电流增加，实现零电流导通控制。

四、测试方案与测试结果

1.测试方案

采用STM32F103C8T6单片机的12位精度的ADC采样，I1电流通过在电池串联0.1欧姆的康铜丝并测压降，再经过计算得I1。U1和U2 分别通过10K和120K 电阻网络分压并采样获得，再按比例放大得U1和U2.

2.测量条件

表1 测试所用仪器及型号

3.测试结果

表2 实验主要数据

4.测试结果分析

该系统能较好的完成本次设计竞赛的基本部分的要求，达到题目所要求的精度，并实现蓄电池的充电放电功能。发挥部分放电电路能达到较高的转化效率，并且实现了自动转换工作模式的功能。除此之外，该系统可以准确的显示出输入电压和输出电压，精度可以达到1%。

五、总结

经过不懈的辛勤劳动，经过无数次的试验和修改，我们最终完成了本次设计。在本次设计中，我们充分考虑了各个方面的因素，无论是在方案选择、软件编写，还是在硬件制作与调试等方面我们都经过了精密的分析与验证，使每个部分分别测试以达到最佳效果，完成了该作品。这次比赛中我们争分夺秒，废寝忘食，为同一个梦想一起并肩作战，加深了对电子学科的理解与这爱，这种宝贵的经历必将使我们终生受益。

参考文献

[1]张晓丽. 数据结构与算法.北京:机械工业出版社，2002.

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[5]Sanjaya Maniktala. 精通开关电源设计.北京:人民邮电出版社，2012

[6] 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计.修订版．北京：电子工业出版社，2004.

[7]Keith Billings．Switchmode Power Supply Handbook. Second Edition. 开关电源手册．北京：人民邮电出版社，2007．

[8]Abraham I. Pressman. Switching Power Supply Design. Second Edition. 开关电源设计．北京：电子工业出版社，2005．

[9]Chunsen Tang，Xin Dai，Zhihui Wang，Yue Sun．Frequency Bifurcation Phenomenon Study of a Soft Switched Push—Pull Contactless Power Transfer Device[A]．Industrial Electronics and Applications，2011 6thIEEE Conference on[C]，2011：1981-1986．[10]孙跃，夏晨阳，苏玉刚，戴欣．CPT系统效率分析与参数优化[J]．西南交通大学学报，2010，45(6)：836-842．

[11]苏玉刚，戴欣，孙跃．软开关变换电路精细离散映射建模方法研究[J]．系统仿真学报，2009，21(3)：672．675．

附录一：电路图

图9 总电路原理题

图10 核心电路原理图

图11 过流保护电路

图12 STM32最小系统电路图

图13 电路实物图

附录二：实验完整数据

表4 充电电流变化率测量

表6 放电效率测量

附录三：源程序

#include "pbdata.h"

#include "font.h"

#include "sys.h"

#include "lcd.h"

#include "adc.h"

extern __IO uint16_t ADCV alTable[4500];

void RCC_Configuration(void);

void OUT_Init(void);

void KEY_Init(void);

void ADC1_Init(void);

int main(void)

{

u8 flag1 = 1, flag2 = 0, flagA = 0, i;

RCC_Configuration();

OUT_Init();

KEY_Init();

ADC1_Init();

LCD_init_io();

Lcd_Init();

CS_OFF;

while(1)

{

////////////////显示////////////////

LCD_ShowString(2,10,"Mode:");

LCD_ShowString(10,40,"U2=");

LCD_ShowNum(40,40,averageAD0(),6);

LCD_ShowString(100,40,"mV");

LCD_ShowString(10,70,"U1=");

LCD_ShowNum(40,70,averageAD1(),6);

LCD_ShowString(100,70,"mV");

LCD_ShowString(10,100,"I1=");

LCD_ShowNum(40,100,averageAD2(),6);

LCD_ShowString(100,100,"mA");

/////////继电器开关///////////

if(S1 == 0)

{

delay(50);

if(S1 == 0)

{

while(S1 == 0);

LCD_Clear(CY AN); //清屏函数&颜色

LED_REV;

S1_REV;

flag1 = !flag1;

}

}

if(S2 == 0)

{

delay(50);

if(S2 == 0)

{

while(S2 == 0);

LCD_Clear(CY AN);

LED_REV;

S2_REV;

flag2 = !flag2;

}

}

/////////数字电位器增减//////////

if(Dec == 0)

{

delay(50);

if(Dec == 0)

{

while(Dec == 0);

for(i=0; i<3; i++)

{

UD_ON;

INC_ON;

delay(1);

INC_OFF;

delay(1);

}

}

}

if(Inc == 0)

{

delay(50);

if(Inc == 0)

{

while(Inc == 0);

for(i=0; i<3; i++)

{

UD_OFF;

INC_ON;

delay(1);

INC_OFF;

delay(1);

}

}

}

///////////充电模式////////////

if(flag1 == 1 && flag2 == 0 && flagA == 0)

{

LCD_ShowString(45,10,"Charging ");

Ctr1_OFF;

Ctr2_OFF;

Ctr3_OFF;

}

////////////放电模式////////////

if(flag1 ==0 && flag2 == 1 && flagA == 0)

{

LCD_ShowString(45,10,"Discharge");

Ctr3_ON;

delay(500);

Ctr1_ON;

Ctr2_ON;

}

/////////////自动模式////////////

if(flag1 == 1 && flag2 == 1)

{

flagA = 1;

LCD_ShowString(45,10,"AutoSet ");

S1_ON;

S2_ON;

Ctr3_ON;

delay(500);

Ctr1_ON;

Ctr2_ON;

while(S1==1 || S2==1)

{

LCD_ShowString(10,40,"U2=");

LCD_ShowNum(40,40,averageAD0(),6);

LCD_ShowString(100,40,"mV");

LCD_ShowString(10,70,"U1=");

LCD_ShowNum(40,70,averageAD1(),6);

LCD_ShowString(100,70,"mV");

LCD_ShowString(10,100,"I1=");

LCD_ShowNum(40,100,averageAD2(),6);

LCD_ShowString(100,100,"mA");

}

flagA = 0;

S1_OFF;

S2_OFF;

flag1 = 1;

flag2 = 0;

Ctr1_OFF;

Ctr2_OFF;

Ctr3_OFF;

}

//////////////断电模式/////////////

if(flag1 == 0 && flag2 == 0)

{

LCD_ShowString(45,10,"PowerOff ");

}

}

}

////////////////////////////输出端口设置//////////////////////////////////

void OUT_Init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5| GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15 ;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);

}

//////////////////////////按键输入端口设置//////////////////////////////

void KEY_Init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7| GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_3; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

}

//////////////////////////////时钟初始化//////////////////////////////////

void RCC_Configuration(void)

{

SystemInit();

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE); }