双向DC-DC变换器(A题)2015电子设计大赛
2015年全国大学生电子设计竞赛试题
参赛注意事项
（1）8月12日8:00竞赛正式开始。
本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。
（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。
（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。
（4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。
（5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队
取消评审资格。
（6）8月15日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。
【本科组】
一、任务
设计并制作用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，实现电池的充放电功能，功能可由按键设定，亦可自动转换。
系统结构如图1所示，图中除直流稳压电源外，其他器件均需自备。
电池组由5节18650型、容量2000~3000mAh的锂离子电池串联组成。
所用电阻阻值误差的绝对值不大于5%。
图1 电池储能装置结构框图
二、要求
1．基本要求
接通S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。
（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%。
（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，要求充电电流I1的变化率不大于1%。
（3）设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率
190%
η≥。
（4）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%。
（5）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。
2．发挥部分
（1）断开S 1、接通S 2，将装置设定为放电模式，保持U 2=30±0.5V ，此时变换器效率
295%η≥。
（2）接通S 1、S 2，断开S 3，调整直流稳压电源输出电压，使U s 在32~38V 范围内变化
时，双向DC-DC 电路能够自动转换工作模式并保持U 2=30±0.5V 。
（3）在满足要求的前提下简化结构、减轻重量，使双向DC-DC 变换器、测控电路与辅
助电源三部分的总重量不大于500g 。
（4）其他。
三、说明
1．要求采用带保护板的电池，使用前认真阅读所用电池的技术资料，学会估算电池的荷
电状态，保证电池全过程的使用安全。
2．电池组不需封装在作品内，测试时自行携带至测试场地；测试前电池初始状态由参赛
队员自定，测试过程中不允许更换电池。
2．基本要求（1）中的电流控制精度定义为110
ic 10
100%I I e I -=
⨯，其中I 1为实际电流、I 10
为设定值。
3. 基本要求（2）电流变化率的计算方法：设U 2=36V 时，充电电流值为I 11；U 2=30V 时，
充电电流值为I 1；U 2=24V 时，充电电流值为I 12，则1112
11
100%I I I S I -=
⨯。
4. DC-DC 变换器效率1
12100%P P η=
⨯、221
100%P P η=⨯，其中111P U I =⋅，222P U I =⋅。
5. 基本要求（5）的测试方法：在图1的A 、B 点之间串入滑线变阻器，使U 1增加。
6．辅助电源需自制或自备，可由直流稳压电源（U s 处）或工频电源（220V ）为其供电。
7．作品应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。
8．制作时应合理设置测试点（参考图1），以方便测试；为方便测重，应能较方便的将
双向DC-DC 变换器、测控电路与辅助电源三部分与其他部分分开。
9．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结
果。
完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出，在附件中提供作品较清晰的照片。
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2015电子设计大赛。
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DC-DC题目解析1106
主回路拓扑
三、方案解析
主回路拓扑
三、方案解析
主回路拓扑
三、方案解析
硬件控制：集成PWM控制器 软件控制：PI调节
控制方法
三、方案解析
• 采样电阻+差分放大器
电流检测
三、方案解析
• 采样电阻+电流检测放大器
电流检测
四、几点建议
正确对待竞赛
• 学校重视，建好平台，用好平台，增加受 益面培养学生的实践能力和创新精神。
航天器电源系统
S4R 型功率调节技术（串联顺序开关分流调节）是 20 世纪 90 年代中期研制出的， 目前在国内外高/低轨卫星较多采用。不区分供电阵、充电阵和机动阵。采用多级并 联充电，在光照区无论处于供电分流状态还是充电分流状态，始终都只有一路工作 在开关状态，其它路要么工作在供电状态，要么工作在分流状态，要么工作在充电 状态
S3R 型功率调节技术（Sequential Switching Shunt Regulator 顺序开关分流调节）
航天器电源系统
混合型功率调节技术是 ESA 在 20 世纪 80 年代末研制出的，目前在国内外高/低轨 卫星上普遍使用。设置供电阵和充电阵，配置合理的电流在光照区为蓄电池组充电； 当蓄电池组充满后通过充电控制进行切换，分流掉充电阵的功率。机动阵可根据需 要在供电阵与充电阵之间切换。
全国大学生电子设计竞赛题目解析
双向DC-DC变换器【A题】
哈尔滨工业大学
王立欣 2015年11月7日
1
一、应用背景 二、任务与要求 三、方案解析 四、几点建议
2
航天器电源系统
航天器由若干分系统组成，分为有效载荷和航天器平台两大类。有 效载荷用于直接执行特定的航天任务，而航天器平台由航天器结构平台 和服务与支持系统组成。服务与支持系统用以保障航天器的正常工作， 一般包括热控分系统、电源分系统、姿态控制系统、轨道控制系统、无 线电测控系统、返回着陆系统、生命保障系统、应急救生系统、数据保 管系统等等。根据具体情况有所取舍，但电源分系统不可或缺，它是航 天器的能源提供装置。一旦电源系统不能正常供电，整个航天器就将丧 失功能其功能，变成毫无用处的太空垃圾
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
2015年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（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。
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。
双向DC-DC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 XL4016 XL6019 STM32目录一、系统方案 (1)1、双向DC-DC变换电路的论证与选择 (1)2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择 (1)3、控制方法的论证与选择 (1)二、系统理论分析与计算 (2)三、电路与程序设计 (3)1、电路的设计 (3)（1）系统总体框图 (3)2、程序的设计 (5)（1）程序功能描述与设计思路 (5)（2）程序流程图 (6)3、程序流程图 (7)四、测试仪器与数据分析 (7)附录1：电路原理图 (9)附录2：源程序 (10)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。
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。
双向DC-DC变换器
双向DC-DC变换器双向DC-DC变换器摘要：以FPGA和TM4C123G为控制核心，设计制作了双向DC-DC变换器。
本系统主要包括Buck/Boost双向DC-DC变换电路、电压电流釆样电路和辅助电源电路等，其中以Buck/Boost变换电路为核心，完成锂电池组的充、放电，采用闭环反馈系统，实时监测锂电池组的电压、电流，经过PID调节，控制输出PWM 波，从而控制Buck/Boost变换电路。
经测试，变换器可实现恒流充电, 且充电电流在1~2A内可调，步进值可设定，电流控制精度^.<0.12%,测量精度<0.192%,变换器充电效率〃点98.54%,放电效率//,>97.99%,且系统具有过充保护功能，阈值电压％=(24±0.032并，能自动转换工作模式并保持^2=(30±0.010)V O经称量，双向DC-DC变换器、测控电路与辅助电源三部分总重量为368g o此外，系统可识别充电、放电两种模式，并实时显示充、放电的电流与电压，人机交互性良好。
关键词：BDC；锂电池；PWM； PID；过充保护1方案论证1.1方案比较与选择1.1.1双向DC-DC 主回路方案一:非隔离式Buck/Boost BDCBuck 变换器和Boost 变换器的二极管换成双向开关后具有同样的结构，构 成Buck/Boost BDC,图1为其拓扑结构。
在Buck/Boost BDC 中，由于必和S 】均 可流通双向电流，因此电感L 中的电流一直保持连续状态。
当电感电流恒大于 零时，能量由％流向匕，是Boost 变换器，锂电池放电；当电感电流恒小于零 时，能量由匕流向％,是Buck 变换器，锂电池充电。
图1非隔离式Buck/Boost BDC 拓扑结构方案二：隔离式Buck/Boost BDC非隔离式Buck/Boost BDC 中插入髙频变压器便构成隔离式Buck/Boost BDCo 图2为其拓扑结构。
基于单片机控制的DC—DC变换电路
基于单片机控制的DC—DC变换电路作者：李继强等来源：《电子技术与软件工程》2015年第22期摘要针对2015年全国大学生电子设计竞赛A题，本设计采用LM2577和LM2596分别实现系统升压和降压，采用单片机产生的PWM信号来调节降压电路实现给电池组恒流充电时电流的控制。
为了使得输出稳定，对输出进行测量，通过软件调节算法得到PWM的占空比，输出给LM358比较器，形成闭环控制。
LM2577和LM2596芯片均有过流保护的功能。
【关键词】双向DC-DC变换 LM2577 LM2596 单片机控制1 系统方案设计1.1 方案设计本方案采用单片机为主设计测控电路。
通过对DC-DC直流转换器输出电流进行监测，通过键盘输入输出电流设定信号，通过单片机输出PWM信号与LM358比较器形成比较电压，电流反馈闭环电路，从而对LM2596芯片进行控制，控制buck电路的接通关断，以保证DC-DC的变换。
升压部分直接由LM2577电路控制稳压其结构图如图1所示。
1.2 控制系统设计采用LM2577和LM2596设计升压电路和降压电路。
buck电路配合测控电路使用效果好，成本也很低，电路图也容易焊接调试。
利用单片机构成测控电路，使得我们能够更加方便的使用键盘来控制转换器输出的电压电流，通过主电路的反馈端来检测电流并采样从而调整PWM 来达到控制输出和过流保护的功能。
单片机的测控电路更加简单，所使用的元器件更少，控制更加方便，所以采用该方案。
1.2.1 升压系统DC-DC电池组放电情况下，以boost升压电路为核心电路。
精髓在于作为开关的LM2577芯片。
该芯片工作时4、5引脚接通对L1电感充电，4、5引脚关闭电感L1缓慢为电容充电。
通过4、5引脚的开通和关断，使得输出端升压。
同时2引脚是输出反馈端，使得输出电压稳定不发生变化，即起到稳压作用。
1.2.2 降压系统DC-DC转换器为电池组充电情况下，是以buck降压电路为核心电路。
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。