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、ACS712-2

1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。控制芯片STM32F103RBT6，它内部自带ADC。

方案分析：方案一在测量时，测量很难，无法达到要求。方案二电路测量时，都能达到设计指标要求。

综合以上二种方案，选择方案二。

1

1.3 PWM技术的论证与选择

方案一：采用两个TL494型输出互补的PWM波，来控制IR2110驱动功率开关管；但是，电路很复杂，损耗很大。在测试中，TL494产生的PWM波不是特别好，难以改变占空比。

方案二：采用STM32F103RBT6控制芯片编写程序来输出互补的PWM波，来控制IR2110驱动功率开关管，电路简单，损耗低。在测试时，容易调节占空比。

综合以上二种方案，选择方案二。

2系统理论分析与计算

2.1理论分析与计算

2.1.1选择合适的开关频率

开关频率和MOS管的功耗有很大关系，频率越高，则产生的损耗就越大。在较低的电路工作频率可以降低损耗，但是输出电压脉动会增大，所以选择允许的频率范围内较低的频率。合适的开关频率范围大致在10KHZ~60KHZ之间，我们本系统选取开关频率为15KHZ,可以降低损耗。 2.1.2低功耗元件的选取

总个系统的损耗中，包括各种元件的损耗。只要在元件选取要注意采用低功耗器件，所以我们需要选取低功耗的器件，在显示部分，如果选取TTL-LCD显示，则功耗比较大。则选取了低功耗的12864液晶屏显示。，可以减少损耗。在主回路控制器件MOS管工作时流过的电路比较大，所以选取导通电阻比较小的MOS管将有利于降低损耗。列如IRFS3607的导通电阻仅仅为9m欧姆，则损耗很低。 2.1.3辅助电源的供电实现方法

控制电路需要+5V、+12V的电源。我们利用线性稳压电路，核心芯片采用了LM2596。

2.2BOOST/BUCK参数的计算

2.2.1电感值的计算：

根据题目要求，电感电流连续工作时Buck/Boost变换器有开关管Q1导通、开关管Q2关断和开关管Q1关断、开关管Q2导通两种工作模式态。

在开关管Q1导通、开关管Q2关断时，即降压电路。电源电压Vi加载电感Lf上，电感电流线性增长，并且向二个电容充电。

已知Uo=24V、Ui=30V、T=1/f、f=15KHZ、当D=38%时，可求得： Uo=D*E; Uo=Ui*D;

Io=Ui*D(1-D)*T/(2L); L>5（Ui-Uo)Uo*T/(Ui*Io)=80uH

在开关管Q1关断、开关管Q2导通时，即升压电路。电源电压Vi加载电感Lf上，电感电流线性增长，二极管D1单向单导通，并且向二个电容充电。

已知Ui=30V、Uo=24V、T=1/f、f=15KHZ、当D=62%时，可求得： Uo=Ui/(1-D); Uo=E/（1-D）; Io=E/（(1-D)*R); Ii=Uo*Io/E;

L=Ui*T/(8*Io)=40uH 本系统选择的电感值为100uH。

2

2.2.2电容值的计算：

电容的大小决定负载电压的波动程度，因此负载的电压波动可作为选择电容的依据。在MOS管导通时间，导通时间为Ta,负载电流靠电容放电得以维持。

在降压时，C>65*10^（-6)*0.2*Ton/(2*Up-p）； 在升压时，C>9*Io*T/(16*Up-p); 通过估算，电容的取值为470uF。 2.2.3功率开关MOS管

在该电路中，MOS管要承受的最大电压值为32V，流过的电流最大值为2A，考虑减少损耗，我们选择内阻较小的IRFS3607。

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图

直流稳压电源32V~38V双向DC/DC转换主回路放电充电电池组监测互补PWM多通道ADC监测采集输出电压和输出电流独立按键调节输出电流步进值辅助电源STM32F103RBT6控制器显示输出电压和输出电流 图1系统流程

3.1.2双向DC-DC变换电路框图与电路原理图 1、双向DC-DC变换电路系统电路

IR2110是个驱动芯片，IR2110直接驱动功率开关管IRFS3607。双向DC-DC模块是通过软件输出互补的PWM波给IR2110，通过IR2110驱动功率开关管IRFS3607，从而自动切换BOOST/BUCK电路，达到充放电的过程。当检测到充电过程，输出电压U1的值达到24V时，继电器自动弹开，停止充电。同时，通过按键来输出电流I1调节步进值。通过ACS712来采集I1的电流值。当检测到放电时，检测输出电压U2的值，通过控制芯片来进行PID调节，使U2保持在30V左右。LM358是双极运放。可以提高电压测量的准确度。

3

互补PWM多通道ADC图2 双向DC-DC变换电路系统电路

输出STM32最小系统供电5V控制3.1.3 辅助电源与测控电路系统框图与电路原理图

1、辅助电源与测控电路系统框图

2、辅助电源与测控电路系统电路

LM2596辅助电源控制按键调节I1的电流的步进值图3 辅助电源与测控电路系统框图

供电5V显示12864显示U1的电压值I1的电流值U2的电压值

4

图4 辅助电源与测控电路系统电路

STM32F103RBT6控制芯片输出互补的PWM波，开通多条通道来采集电压、电流的值，并通过12864液晶屏显示。同时，通过按键调试输出电流值。辅助电路的核心芯片是LM2596，它为其他电路提供电源。

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键盘的设置、PWM技术和显示。

1）键盘实现功能：在恒流充电时，调节充电电流I1的步进值、功能键及。 2）显示部分：显示U2电压值、步进值、U1的电压值、I1的电流值。 3）PWM技术：

PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉 冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

占空比：就是输出的PWM中，高电平保持的时间 与 该PWM的时钟周期的时间 之比。

2、程序设计思路

通过STM32F103RBT6芯片输出互补的PWM波导通MOS管，从而实现双向DC/DC变换器自动切换BOOST/BUCK电路。

通过STM32F103RBT6芯片多通道ADC采集输出与输入的电压，电流的值，并且通过12864液晶屏显示。

通过设置五个按键,设置KEY1为充电，设置KEY2为放电，设置KEY3为清除，设置KEY4作为充电过程，调节I1的步进值增加，设置KEY5作为充电过程，调节I1的步进值减少。

5

充放电过程，通过STM32F103RBT6最小系统，监控输入与输出的电压与电流，并通过PID程序来补偿，调节PWM。 3.2.1程序流程图

1、主程序流程图

主控芯片显示输出电压U1输出电流I1输入电压U2功能键KEY1I1和U2监测功能键KEY2功能键KEY3U2监测充电放电清零调节PWMKEY1输出电流I1++KEY2输出电流I1--输入电压U2不等于30V调节PWMPID补偿PID补偿

图5 软件控制流程

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

1、硬件测试

通过示波器测试IR2110的1脚与8脚是一个互补的矩形波，且占空比之和为100%;利用万用表测试U2、U1、I1的值。

2、软件仿真测试

利用Multisim12.0进行部分仿真。 3、硬件软件联调

通过STM32F103RBT6控制芯片，编写程序，用12864液晶屏显示U2、U1、I1的值。电压测试，通过分阻分压的方式采集，再用软件来显示；电流测试，通过ACS712电流传感器的方式采集，再用软件来显示；并且利用PID算法进行补偿。

6

4.2 测试条件与仪器

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：数字GDS-1072A-U(70MHZ)示波器，数字万用表 ，GPS-3303C稳压电源

4.3 测试结果及分析

4.3.1测试结果(数据)

充电过程：

当U2=30V时，电池恒流充电。Eic=|(I1-I10)/I10|*100% I10 I1 Eic 1.0A 0.97A 0.030 1.2A 1.18A 0.017 1.4A 1.35A 0.036 1.6A 1.56A 0.025 1.8A 1.78A 0.011 2.0A 2A 0 电流控制精度Eic取平均值为1.7%。 设定I1=2A,调整直流稳压电源输出电压。设U2=36V时，充电电流值为I11;U2=30V时，充电电流值为I1 ;U2=24V时，充电电流值为I12，则SI1=|(I11-I12)/I1|*100% I1 I11 I12 SI1 2A 2A 2.02A 1% 当设定I1=2A,在U2=30V条件下，n1=|P1/P2|*100%。 U1 I1 P1 U2 I2 P2 n1 20.9V 2A 41.8W 30V 1.49A 44.7W 93.5% 放电过程： 在放电模式时，保持U2=30+0.5V或U2=30-0.5V,n2=|P2/P1|*100%

U1 I1 P1 U2 I2 P2 n1 17.867V 1.67A 29.83W 30V 0.96A 28.8W 96.55% 4.3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，本系统基本达到题目设计指标，由此可以得出以下结论：

1、在电池恒流充电时，I1可调，步进值为0.1A ，电流控制精度为 1.7% 。 2、设定I1=2A，调整直流稳压电源U2在24~36V,充电电流I1的变化率为 1% 。

3、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=30+0.5V或U2=30-0.5V，效率n2为96.55%。

4、双向DC-DC变换器实现了自动转换工作模式。

7

1、位

综上所述，本设计达到设计要求。

参考文献

[1]王兆安，刘进军 电力电子技术[M]北京 .机械工业出版社 2009

[2]黄智伟全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京 北京航天航空大学出版社2007.

[3]高吉祥 模拟电子线路设计[M]北京 高等教育出版社 2013

[4]Sanjaya Maniktala精通开关电源设计[M]北京 人民邮电出版社2012 [5]童诗白，华英成模拟电子技术基础[M]北京 高等教育出版社2006. [6]龚立堇开关电源的原理与设计[M].北京 电子工业出版社2004.

[7]周洁敏开关电源理论及设计[M].北京 北京航天航空大学出版社2012.

8

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5mad.html