全国大学生电子设计竞赛双向DCDC变换器A题设计报告
最新全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告
关键字：DC-DC交换；Buck；Boost；PWM控制
Abstract
The system isBuckandBoost parallel, to achieve two-way DC-DC exchange, STM32 as the core control chip.TheBuckBuckmodule uses the XL4016 switchBuckconverter chip, takes the c controls the feedback of XL4016, completes the closed-loop control, and realizes the constant current output.Boost boost module uses UC3843 as the PWM control chip, according to the output voltage negative feedback signal to adjust the PWM signal, the closed-loop control is carried out, in order to achieve the regulator output.System can automatically switch charge and discharge mode, can also be manually switch. The system has the function of over current and over voltage protection, and can measure and display the output voltage and current.
双向DCDC变换器
30
1.3 1.5
1.8
2.0
2、充电电流变化率测试
实际值(A) 0.999 1.099 1.299 1.499 1.798 1.998
显示值(A) 0.999 1.098 1.298 1.498 1.797 1.999
(%) 0.1% 0.09% 0.08% 0.07% 0.11% 0.1%
U2(V)
压，确保电路的正常稳定工作。本设计采用芯片 LM2596 实现。
图 3.4 辅助电源电路原理图
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电路的控制和显示功能。 1）键盘实现功能：控制电路关断和电流步进值。 2）显示部分：显示电流值。
6
3.2.2 程序流程图
4
足要求。
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 3.1 所示，直流稳压源经过负载电阻与双向 DC/DC 变换
器连接后，再与电池组连接；同时对负载电路、电池组电路进行电流电压检测， 检测信号送入 MSP430 单片机对其进行分析处理，产生 PWM 波控制双向 DC/DC 变换器的状态，外接 LCD 液晶屏显示电流和 4*4 键盘进行控制，从而实现对电 池组充放电以及保护的功能。整个模块由直流稳压电源经辅助电源供电。
在负载与地之间串一个小阻值的采样电阻，串联电路中流过负载和取样电阻 的电流大小相等，通过采样电阻的电压计算出负载电流。但分压阻值太大影响输
1
出功率、测量时需要高精度的 AD 才能得到高精度电流。在测量过程中发现，从 负载输出端接电阻线上有很小的电阻，都会影响到电压的精度。 方案二：采用高端双向电流并联监测芯片 INA270
2017年全国电子竞赛设计报告(A题)
入的电流值控制。实现给电池充电的步进可调。 充电电流显示为 1.017A，代表充电电流恒定。
主要原理图如下所示：
（2）步进可调测量，并测试电流的控制
-1SI 1 Rm01R F 4 u Rm4.11+1SI 1C 3 Fu7.4C 2 Fu7.4C 1 Fu7.4C K KK0 84 502 1001R1R2R F n 3 331C D N 3 F D G K4.06R p K51.2 N A 0 7 G 2 R 621C A D N G A 43210 1111198 CB F N DNGPDNGPDNGPQERF PMOC 1 45KSD D N GN SWW 1 ACNYSSENIVSS 04355SPTU 7654321 D N G F A n 2 1 211C D N N E G A k 6 1 D 5R N G H A u 1 0 1L F n 0 0 101C D N G A 9 Fu7.4C
D
结论
满足基本要求，实现对电池恒流充电，充 电电流步进可调，电流控制精度不低于 5%，电 流转换效率高达 95%，并能实现过充保护功能。 在发挥部分，放电模式的变换器效率达到 95.4%,总重量保持在 500g 内。
6
需要保证各单体的相互电气隔离，因此必须选 用有隔离的 DC-DC 变换器，选用方案二。
2.理论分析与计算
2.1 定位方法
充电时，直流稳压电源给 Buck 模块提供 电源，在 2.5V 的参考电压下输入，通过 TPS 54560 降压，产生恒定电流对五节 18650 型串 联电池组充电，用 STM8S105C4 单片机对输 出电流进行采样、放大，并显示 OLED 液晶屏 上。手动切换开关，变换器处于放电状态，Buck 模块中的肖特基截止，在输出端接一个 30Ω的 负载，输出电压与芯片的 FB 端相连在用单片 机对负载两端输出电流进行采样、放大、显示。 将输出端反馈给 DC-DC 变换模块的 FB 端，使
大学生电子设计竞赛双向dcdc电源设计报告图文稿
大学生电子设计竞赛双向d c d c电源设计报告Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】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AbstractThesystemisBuckandBoostparallel,toachievetwo-wayDC-DCexchange,STM32asthecorecontrolchip.TheBuckBuckmoduleusestheXL 4016switchBuckconverterchip,takesthecurrentsignalintheoutput,co ntrolsthefeedbackofXL4016,completestheclosed-loopcontrol,andrealizestheconstantcurrentoutput.Boostboostmodul eusesUC3843asthePWMcontrolchip,accordingtotheoutputvoltagenegat ivefeedbacksignaltoadjustthePWMsignal,theclosed-loopcontroliscarriedout,inordertoachievetheregulatoroutput.Syst emcanautomaticallyswitchchargeanddischargemode,canalsobemanuall yswitch.Thesystemhasthefunctionofovercurrentandovervoltageprote ction,andcanmeasureanddisplaytheoutputvoltageandcurrent.Keywords:bidirectionalDC-DCconverter,Buck,boost,PWMcontrol目录双向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。
全国大学生电子设计竞赛开关电源报告
双向DC-DC变换器（A题）【本科组】摘要本作品设计了一个电池储能装置的双向DC-DC变换器，实现电池的充放电功能；其中，双向DC/DC电源模块采用IR2110直接驱动功率开关管IRFS3607进行设计；并双向DC/DC电源模块是以BUCK/BOOST拓扑为基础；通过低功耗的ARM微处理器Cotex M3控制芯片输出互补的PWM波来控制IR2110，从而控制功率开关管，实现自动切换BOOST电路或BUCK电路，同时，设定按键，来实现电池的充放电,并且利用按键来调节步进值。
经过测试，在充电过程中，当U2=30V时，电池恒流充电，电流控制精度Eic取平均值为1.7%。
当设定I1=2A,在U2=30V条件下，效率n1为93.5%，在放电模式时，保持U2=30V, 效率n1为96.55%。
本作品已经均达到题目的要求。
关键词：双向DC-DC变换器、双向拓扑、PWM技术、ACS712-21系统方案本系统主要由双向DC-DC变换模块、辅助电源模块、测控电路模块、电池组、直流稳压电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 双向DC-DC变换模块的论证与选择方案一：采用双全桥式拓扑，利用IR2110来驱动二个功率开关管IRF540。
但是,双全桥式拓扑结构比较复杂，IRF540内阻值较大，损耗较大。
在测试中，效率较低。
方案二：采用BUCK/BOOST式拓扑，利用IR2110来驱动二个功率开关管IRFS3067。
方案分析：方案一的电路复杂，损耗大，效率较低。
方案二电路结构简单，效率高，容易制作。
综合以上二种方案，选择方案二。
1.2 测控电路模块的论证与选择方案一：采用直接分阻分压的采集电压，测量的电压误差很大。
电流采集选用INA209来采集电流，比较难采集。
控制芯片STC89C52。
方案二：通过接LM358运放，再分阻分压的采集电压，测量的电压更加精准。
电流采集选用ACS712-5A来采集电流，测量精度比较准确。
2015年全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告概论
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AbstractThe system is Buck and Boost parallel, to achieve two-way DC-DC exchange, STM32 as the core control chip.The Buck Buck module uses the XL4016 switch Buck converter chip, takes the current signal in the output, controls the feedback of XL4016, completes the closed-loop control, and realizes the constant current output. Boost boost module uses UC3843 as the PWM control chip, according to the output voltage negative feedback signal to adjust the PWM signal, the closed-loop control is carried out, in order to achieve the regulator output.System can automatically switch charge and discharge mode, can also be manually switch. The system has the function of over current and over voltage protection, and can measure and display the output voltage and current.Key words: bidirectional DC-DC converter, Buck, boost, PWM control目录1系统方案 (1)1.1 升、降压电路的论证与选择 (1)1.2 系统组成及控制方法 (1)2系统理论分析与计算 (2)2.1 电路设计与分析 (2)2.1.1 提高效率的方法 (2)2.1.2 控制回路分析 (2)2.2 控制方法分析 (2)2.3 升压、降压电路参数计算 (3)2.3.1 元件选取 (3)2.3.2 电感计算 (3)3电路与程序设计 (4)3.1电路的设计 (4)3.1.1系统总体框图 (4)3.1.2 充电系统原理 (4)3.1.3 放电系统原理 (5)3.2程序的设计 (5)3.2.1程序功能描述与设计思路 (5)3.2.2程序流程图 (5)4测试方案与测试结果 (6)4.1测试方案 (6)4.2 测试条件与仪器 (7)4.3 测试结果及分析 (7)4.3.1测试结果(数据) (7)4.3.2测试分析与结论 (7)附录1：电路原理及实物 (8)附录2：主要程序片段 (9)双向DC-DC变换器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。
2015全国电子设计竞赛DC-DC变换器
2015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器（A 题）[本科组]参赛学校：淮阴工学院参赛编号：HA011队员姓名：刘新邵慧洁甄将军指导老师：陈万刘保连2015年8月15日摘要随着科技和生产的发展，双向DC-DC变换器在诸如电动车动力系统，直流不停电电源等场合的应用越来越多。
双向 DC-DC 变换器应用于能量双向流动的场合可以大幅度减轻系统的体积重量和成本。
根据电池组充放电要求以及变换器的输入输出参数，在硬件电路设计中，采用了基于同步整流buck变换器的双向DC-DC电路结构，设计了基于STC89C52单片机的控制器，该控制器采样了双向DC-DC变换器的输出电压和充电电流，并通过软件计算得出功率器件的开关信号和充电电流指令，以达到精确控制充电电流的目的。
测试结果表明，本设计主要实现双向DC-DC变换器对电池组的充放电功能，达到了双向DC-DC变换器（本科组）基本部分和发挥部分的要求。
关键词：双向DC/DC 变换，buck-boost电路，充放电模式1系统方案1.1 DC／DC变换模块的论证和选择方案一：非隔离级联型DC-DC型拓扑结构变换器：它的不足之处是它开关器件和二极管数目都比通常的双向DC-DC变换器增加了一倍，而且由于每一时间段里主电流都要流经两个半导体器件，通态损耗也高一些。
图1-1 非隔离级联型DC-DC电路原理图方案二：非隔离双向buck-Boost型拓扑结构变换器：它是将buck变换器和boost变换器结合到同一电路上。
这种双向buck-boost电路可以较好的实现能量的双向流动，结构简单，所用器件少而且便于控制，易于实现，且效率比双向全桥DC-DC电路大大提高。
图1-2 非隔离双向buck-boost型电路原理图理想选择。
1.2 单片机控制方案的论证和选择方案一：采用80C51类单片机控制方案编译器能自动完成变量的存储单元的分配，编程者可以方便地进行信号处理算法和程序的移植。
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。
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全国大学生电子设计竞赛双向D C D C变换器A题设计报告Hessen was revised in January 20212015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器（A题）【本科组】2015年8月13日目录摘要本系统介绍了一种双向DC-DC变换器的基本原理和实现方法。
由SG3525芯片产生的PWM波经三极管传入到电路中，驱动MOSFET管，使其关断或导通，使电压升高或降低。
同时，可由单片机监测相应信号经判断后控制继电器选择放电或充电的模式使电路保持在一直正常情况下运行。
当充电电压超出限幅值时，单片机可自动断开主电路，以保护系统安全。
此外，本系统在设计时注重了高精度的要求，使输出电流步进可控，且步进值小于。
而系统中各元件的选择以低损耗为标准，提高了系统的低功耗特性，使系统的效率达到最高。
本系统经过多次模拟与实验，基本完成各项要求。
关键字：DC-DC变换；低损耗；自动；可控；充电ABSTRACTThis system introduces the basic principle and realization method of a kind of bidirectional DC-DC converter. The PWM wave generated by the SG3525 chip is introduced into the circuit by the transistor, driving the MOSFET tube, making it shut off or on, so that the voltage is raised or lowered. At the same time, the signal can be monitored by a single chip microcomputer to control the relay selection discharge or charging mode to keep the circuit under normal circumstances. When the charging voltage exceeds the limit, the single chip microcomputer can automatically disconnect the maincircuit to protect the system security. In addition, the system is designed with high accuracy requirements, so that the output current is controlled, and the step value is less than . In the system, the selection of the components of the system is the standard, which improves the system's low power consumption characteristics, so thatthe system's efficiency is the highest. The system has been simulated and the experiment, the basic completion of the requirements. Keyword: DC-DC transform; Low loss; Automatic; Controllable; Charge双向 DC-DC 变换器（A题）【本科组】第一章方案论证论证比较实验方案选择方案一：双向半桥DC-DC变换器双向DC-DC变换器电路如图1-1所示。
通过控制开关T1和T2,达到双向直流升压与降压的目的。
在升压运行时，T2动作，T1截止，变换器工作在Boost状态;当T1动作，T2截止时，变换器工作在Buck状态，实现降压功能。
RV2V1方案二：双向反激DC-DC变换器双向DC-DC变换器电路如图1-2所示。
通过控制Q1和Q2开关，实现变换器工作模式的转换。
在升压运行时，Q1导通，Q2关断，N2同名端为正极，二极管反偏截止，所以电感变压器此时作为电感运行，电能存储在N2中，由输出电容向负载供电；当Q1关断，Q2导通时，变压器各线圈感应电势反号，同名端为负，迫使二极管导通，电感能转为电场能量向负载放电和向电容充电。
同理，相反步骤下为降压运行。
V2图1-2 双向反激DC-DC变换器方案三：双向恒流DC-DC变换器该变换器分为恒流源和恒压源两部分电路，由开关控制两部分的通断，来实现升压和降压的功能，最终实现DC-DC变换的目的。
经比较，方案三较为简单，易于实现，能尽量较少元器件的相互影响。
故选择方案三作为本次实验方案。
脉冲发生模块的选择方案一：SG3525SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。
方案二：TL494TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
经比较，SG3525能满足本次实验的所需功能且较TL494稳定、简单，故选择SG3525作为本次实验的PWM控制芯片。
方案描述经过论证，本次实验采用SM2535芯片产生PWM来供给DC-DC模块来控制输出电压的高低，并由STM32单片机检测所需检测的电压电流，进而控制DC-DC 模块的工作模式，实现比赛所要求的各项目的。
第二章电路与程序设计系统结构框图主系统图2-1 系统结构框图子系统与器件选择（1）升压电路模块XL6009341521.33μH/4AD1 1N5824V OUT 18.5VR 2C OUT220μH/50VFBENGNDOFFON1051K13.8KVIN105C IN47μH/450VV INBoost converter Output 18.5V/2.5A Vout = 1.25*(1+R 2/R 1)图2-2 XL6009BOOST 电路（2）基于VAS1210降压电路模块图2-3 VAS1210原理图（功率路径： MOS 闭合时， 绿线表示；MOS 断开时， 红线表示。
）器件选择（1）电容的选择输入电容：22uF 或者更大。
（2）肖特基二极管的选择肖特基二极管：电流能力须大于输出电流，且反向击穿电压要大于输入电压。
程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。
（1）键盘实现功能：设置电流的比例 （2）显示部分：显示电压值和电流值 （3）程序设计思路在系统中，软件的主要作用是完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果显示等功能，设计相对简单。
第三章 理论分析与计算参数的计算 电感的计算电感量的选择直接关系到系统的工作频率，电感量大则工作频率低，电感量小则工作频率高。
大的感量可降低频率从而减小NMOS 上的开关损耗，但对于相同体积电感，感量越大电感的绕线电阻也越大，则电感上的损耗也越大。
系统工作频率的计算：1OFF ON f T T /()=+开关频率的计算开关频率和MOS 管的功耗有很大的关系，频率越高，产生的损耗越大。
较低的电路工作频率可以降低MOS 管的开关损耗，但输出电压脉动会增大，因此应在允许的频率范围内选择较低的频率。
合适的开关频率大致处于20KHz 与60KHz 之间，本系统选取开关频率为30KHz ，可以降低损耗。
其他外围参数选择外置增强型N-MOSFET ：芯片Gate 驱动电压为10V ，要选取栅耐压>10V 的MOS 管，且V DS 击穿电压要大于输入电压，饱和电流要大于输出电流，导通电阻关系到工作效率问题，MOS 管消耗功率为：221OUT OUT uty LOSS M DS ON DS ON IN V I D P IR R V ()()()η⨯⨯=⨯=⨯⨯输出电流设置芯片输出电流大小可通过选择检测电阻RSNS 来设置，输出平均电流大小与RSNS 关系为：02out SNS V I =R .芯片输入电流、电压与输出电流、工作效率关系可表示如下：out outin in V I I V η⨯=⨯第四章 测试方案与测试结果测试方案及测试条件 测试方案（1）硬件测试首先，将硬件主电路分成两个模块分开测试，测试输入电压、电流与输出电压、电流之间的关系。
经测试各模块符合要求后，加入控制模块进行测试，最后将各个模块合并再次进行测试，分别以此测试所要求项目。
（2）软件仿真测试 BOOST 升压电路仿真Discrete,Ts = 1e-006 s.powerguiv+-Voltage MeasurementScope1/zRate TransitionRPulseGeneratorLgmCEIGBTmakDiode1i +-Current Measurementt/sv o l t a g e /VThe Voltage of Boost current测试条件测试条件：检查多次，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：高精度的数字毫伏表，数字示波器，数字万用表。
测试结果及其分析 测试结果当电压U 2不变时，测量改变占空比对充电电流I 1幅值的影响过程。
U 2=30V调整电压U2的幅值，观察充电电流I1的变化过程。
测试分析根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：（1）当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，电流控制精度不低于5%。
（2）设定I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，使U2在24～36V范围内变化时，充电电流 I1的变化率不大于1%。
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：作品展示。