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).doc

\ 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。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 辅助电源 测控电路 直流稳压电源 双向DC-DC变换电路 电池组 （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 电池 降压 升压 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" Int main() { void Adc_Init(void) { RCC->APB2ENR|=1<<2; GPIOA->CRL&=0XFFFF0000; //10/11 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); } u16 Get_Adc(u8 ch) { ADC1->SQR3&=0XFFFFFFE0; ADC1->SQR3|=ch; ADC1->CR2|=1<<22; while(!(ADC1->SR&1<<1));/ return ADC1->DR; } u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times) { u32 temp_val=0; u8 t; for(t=0;t

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