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

Abstract

The 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

I

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

II

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，

1

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

2

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。

2.二极管的选取

为降低续流二极管的导通压降，减少功率损耗，提高效率，选用肖特基二极管作为续流二极管。根据主回路中的工作电压及电流，结合肖特基二极管的耐压、耐流及损耗性能，选用IN4746耐压40V最大电流为30A。 2.3.2 电感计算

1.CCM工作模式下MOS开关管占空比D的计算：

D?UO-UI20-10??0.5 UI202.当输出最大负载时若要使电流连续，则：

L?2?Ui?US?D?1?D?2?10?0.9??0.5?0.5??56?H 3I0f1?82?10US为开关导通时的压降和电流取样电阻上的压降之和，取06~0.9V 设电感纹波电流为平均电流的30%，即：

?IL?0.3IL?CCM???0.6A

所以电感值：

L??Ui?US?D?10?0.9??0.5??92?H?ILf0.6?82?103

电感的设计包括磁芯材料、尺寸选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。而选用线径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温升。

3

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1所示，主要包括DC-DC降压充电模块、DC-DC升压放电模块、MCU控制模块、显示单元、转换开关、稳压电源、电池组七部分组成。本系统可实现手动和自动充放电模式选择。

DC-DC降压充电模块 电池组 转换开关 转换开关 MCU控制 DC-DC升压放电模块 显示 直流稳压电源

图1 系统总体框图

工作原理：转换开关调整为充电模式，直流稳压电源输出大于30V电压，经降压模块以小于24V电压、2A恒定电流为电池组充电。当转换开关调整为放电模式时，电池组输出电压经UC3843升压模块达到30V为负载供电。 3.1.2 充电系统原理

充电系统那个框图如图2所示。

Buck调整器 PWM控制器 Vin误差比较 MCU控制 放大器 采样电阻 Vout 图2 充电系统框图

采用XL4016做Buck调整，FB脚接电流负反馈。由0.05电阻将电流信号转变为电压信号，并放大20倍，这时就将电流的误差也放大，使误差判断器更准确的判断误差。单片机采集放大后的电流信号并给出基准电压，误差放大器判断将结果送入FB端，

4

控制输出电压的变化，从而达到控制电流。 3.1.3 放电系统原理

放电模式时，电池作为电源通过变换器提供高压侧负载能量，输出恒定30V电压到负载。因为要求恒压输出，所以引入电压负反馈。反馈回的电压信号接到UC3843电压反馈端，与内部基准电压比较，控制PWM波脉宽，因此达到控制输出电压的目的。

电池组 V1 开关管 PWM驱动 采样电阻 负载 Vo 图3 放电系统框图

PWM控制开关管导通，电感以v/L速度充电，把能量储存在L中。当开关管截止时，L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以（U-Vo）／L的速度释放到输出电容器Cs中。输出电压由传递的能量控制，传递的能量通过电感电流的峰值控制。开关信号的频率为60KHz，可以达到稳定输出30V电压。

单片机采集负载电压，判断如果电压小于30V则转换充电模式，否则为返点模式，因此到到自动切换目的。

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AD采集、键盘设置和显示。

1）AD采集：恒流充电电流采样，过压保护电压采样，自动切换电压采样。 1）键盘实现功能：步进调节充电电流。 2）显示部分：显示充电电流、输出电压。

2、程序设计思路

单片机上电后，实时采集充电电流，在单片机内部进行运算，通过液晶屏显示。充电时单片机采集到电池充电电压，判断如果电压大于24V，则单片机控制开关断开，停止充电。放电时，单片机采集负载两端电压，判断电压是否大于30V，如果大于则系统切换为充电模式，否则为放电模式。 3.2.2程序流程图

主程序流程图如图所示，自动切换子流程图如图所示。

5

开始 电压采样 开始 放电电压 <30V Y 切换到充电 数据运算 充电压 >24V Y 切换到放电 显示 结束 系统初始化 N 3路AD采集 调制充电PWM N 模式切换

图4 主程序流程图 图5 自动切换程序流程图

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

1、硬件测试：

电流变化率测试：设定充电电流为2A，当U2=36V时，测量充电电流值I11；U2=30V时，充电电流值I1；U2=24V时，充电电流I12，则电流变化的调整率SI1=|

I1-I0|*100%。 I0（2）电路效率测量：DC-DC变换器效率?1?P1P?100%，?2?2?100%。 P2P1（3）过流保护测试：在电池组上串入滑线变阻器，时充电电压增加。判断是否能在24V时停止充电。

2、软件仿真测试

利用proteus画出电路仿真图，进行电路的各项性能测试。 3、硬件软件联调

软件仿真结果与实测值进行比较，分析差异原因，找出改进方案。

6

4.2 测试条件与仪器

测试条件：多次检查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：直流稳压电源、信号源、模拟示波器、数字示波器、数字万用表、指针式万用表。

4.3 测试结果及分析

4.3.1测试结果(数据)

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%。测量结果如表1.

表1电流步进精度测试 （单位：A）

设定值 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 实际值 1.03 1.08 1.22 1.28 1.45 1.51 1.64 1.76 1.84 1.92 1.98 精度 (%) 3 1.8 1.6 2.3 3.5 0.6 2.5 3.5 2.2 1.1 2.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%。结果如表2。 表2：充电电流显示测量 （单位：A） 测量值 1 1.2 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 显示值 1.00 1.21 1.40 1.51 1.62 1.69 1.81 1.90 2.00 误差% 0 0.08 0 0.06 1.23 0.59 0.55 0 0 3．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。测试结果如下表3。

表3：过保护功能测试 充电电压V 状态 23 充电 24.1 断开 4.电池放电时，输出稳压性能测试。结果如表4所示。 表4：放电稳压测试 电池（V） 放电（V） 17.5 29.7 18 30.06 19 30.18 20 30.19 21 30.21 22 30.23 23 30.24 4.3.2测试分析与结论 根据上述测试数据，可以得出以下结论：

1、在充电模式下，电流步进值不大于0.1A，误差精度小于5%。 2、具有良好的变化率和控制精度。

3、具有过程保护功能和较高的变换器效率。 4、放电模式时，30V稳压性能好。可以自动切换。 综上所述，本设计达到设计要求。

7

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s9v7.html