2015年全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告

ggfhkl45 · 发表于 2019-12-10 10:21

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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。

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
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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，
2
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60 KHz 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
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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。

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