雙向DC-DC變換器

1、2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽雙向DC-DC變換器（A題）學(xué)號(hào)：1440720117呂 剛2015年12月30日II摘 要 本設(shè)計(jì)主要由雙向DC-DC變換電路、測(cè)控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開(kāi)關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%，升壓部分采用XL6019開(kāi)關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用PWM控制原理，形成一個(gè)閉環(huán)回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過(guò)壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。在本次設(shè)計(jì)中恒

2、壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路，對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過(guò)光耦電路的工作與停止，恒流部分由PWM調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。關(guān)鍵字 電池充放電 升壓降壓 XL4016 XL6019 STM32目 錄一、系統(tǒng)方案11、雙向DC-DC變換電路的論證與選擇1 2、測(cè)量控制方案和輔助電源的論證與選擇13、 控制方法的論證與選擇1二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2三、電路與程序設(shè)計(jì)31、電路的設(shè)計(jì)3（1）系統(tǒng)總體框圖32、程序的設(shè)計(jì)5（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路5（2）程序流程圖6 3、程序流程圖7四、測(cè)試儀器與數(shù)據(jù)分析7附錄1：電路原理圖9附錄2：源程序10雙向DC-DC

3、變換器（A題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本設(shè)計(jì)主要由雙向DC-DC變換電路、測(cè)控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開(kāi)關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%，升壓部分采用XL6019開(kāi)關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用PWM控制原理，形成一個(gè)閉環(huán)回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過(guò)壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。 1、雙向DC-DC變換電路的論證與選擇 方案1:由降壓斬波變換電路(即Buck變換電路)和升壓斬波變換

4、電路（即Boost電路）組成雙向DC-DC變換電路，分別各使用一個(gè)全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,對(duì)輸入直流電源進(jìn)行斬波控制通過(guò)調(diào)整全控型器件VT的控制信號(hào)占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。 方案2：采用XL4016開(kāi)關(guān)型降壓芯片和XL6019開(kāi)關(guān)型升壓/降壓芯片構(gòu)成升壓、降壓電路具有低紋波，內(nèi)助功率MOS,具有較高的輸入電壓范圍，內(nèi)置過(guò)電流保護(hù)功能與EN引腳邏輯電平關(guān)斷功能。 綜合以上兩種方案，考慮到時(shí)間的限制，選擇了比較容易實(shí)現(xiàn)的方案2。2、測(cè)量控制方案和輔助電源的論證與選擇由于瑞薩單片機(jī)開(kāi)發(fā)套件數(shù)量有限，所以我們選擇了一款相對(duì)便宜，速度快，性價(jià)比較高的STM32103V8T6作為控制器，顯

5、示部分由于收到題目對(duì)作品重量的要求，選擇了質(zhì)量輕，分辨率較高的0.96寸OLED屏幕顯示。由于市場(chǎng)上所售開(kāi)關(guān)電源模塊的，紋波大的因素，所以輔助電源選擇了一個(gè)較小的9V變壓器，進(jìn)行，整流濾波作為輔助電源。3、 控制方法的論證與選擇 方案1：采用PWM調(diào)節(jié)占空比的方法控制降壓芯片的控制端，達(dá)到控制恒流和控制恒壓的目的，采用PWM調(diào)節(jié)軟件較為復(fù)雜，而且PWM調(diào)節(jié)較為緩慢，軟件控制難度大。 方案2：恒壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路，對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過(guò)光耦電路的工作與停止，恒流部分由PWM調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。 綜合以上兩種方案，選擇軟件較為簡(jiǎn)單，硬

6、件較為復(fù)雜的方案2。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、充電電路設(shè)計(jì)分析 充電電路也就是一個(gè)降壓電路，并且要求是一個(gè)恒流源，本次競(jìng)賽選取XL4016為核心降壓芯片，其結(jié)構(gòu)如圖所示。管腳定義如下典型應(yīng)用電路如下2.2 放電電路設(shè)計(jì)分析XL6019是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOS。XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090%之間線性變化。內(nèi)置過(guò)電流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下2.1 充電電路設(shè)計(jì)分析 充電電路也就是一個(gè)降壓電路，并且要求是一個(gè)恒流源，本次競(jìng)賽選取

7、XL4016為核心降壓芯片，其結(jié)構(gòu)如圖所示。XL4016降壓模塊電路圖如下所示2.2 放電電路設(shè)計(jì)分析XL6019是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOS。XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090%之間線性變化。內(nèi)置過(guò)電流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體框圖輔助電源 測(cè)控電路直流穩(wěn)壓電源 雙向DC-DC變換電路電池組（圖3-1）系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示，主要由輔助電源、測(cè)控電路、雙向DC-DC變換電路等組成，輔

8、助電源為測(cè)控電路供電，測(cè)控電路用于檢測(cè)和控制雙向DC-DC電路，以及電壓電流的采集與控制。（2） 降壓電路原理 降壓電路采用XL4016型8A，180KHz，40V，PWM降壓型直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，最大效率可達(dá)96%。輸出1.25V到36V可調(diào)，8A恒定輸出電流能力。 如下圖3-2所示為XL4016降壓部分電路圖，通過(guò)對(duì)FB引腳的控制，可有效的實(shí)現(xiàn)電流及電壓的控制。該轉(zhuǎn)換器外圍器件少，低紋波，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，內(nèi)置短路保護(hù)功能。PWM占空比0%到100%連續(xù)可調(diào)。（圖3-2）（3）升壓電路原理圖 升壓電路使用XL6019型220KHz、60V、5A開(kāi)關(guān)電流升壓/降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器?？晒ぷ髟贒C5V到

9、40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOS、XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090%之間線性變化。內(nèi)置過(guò)流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。使用單片機(jī)控制EN引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)升壓模塊開(kāi)啟與關(guān)斷。（圖3-3）（4） 測(cè)控電路電路原理圖 測(cè)控電路如圖3-4所示，通過(guò)電阻分壓濾波后，使用單片機(jī)ADC采樣，得到輸入、輸出電壓，以及電流和2.5V基準(zhǔn)電壓，使用TL431產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓用于矯正。恒壓恒流控制使用單片機(jī)輸出PWM，經(jīng)濾波后使用LM358跟隨，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)可減小輸入控制端的能量消耗。使用比較器比較設(shè)定值與輸出值，再控制芯片的工作

10、狀態(tài)。（圖3-4）電源 為減小高頻干擾，輔助電源使用220V到9V普通變壓器，經(jīng)整流濾波后使用7812和HT7333分別輸出12V和3.3V電壓為L(zhǎng)M358和單片機(jī)小系統(tǒng)板供電。2、程序的設(shè)計(jì)（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 1、程序功能描述根據(jù)題目要求，軟件部分實(shí)現(xiàn)測(cè)量顯示，切換模式，充電過(guò)壓保護(hù)，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2、 程序設(shè)計(jì)思路 （1）、首先進(jìn)行，按鍵，OLED各個(gè)內(nèi)設(shè)初始化； （2）、進(jìn)行按鍵掃描； （3）、判斷模式； （4）、進(jìn)行PWM控制電流，讓輸出為橫流模式； （5）、掃描按鍵； （6）進(jìn)行打開(kāi)光耦，讓升壓模塊工作；3程序流程圖電池降壓升壓 1、系統(tǒng)總框圖 Vin/Vout2、程序流程

11、圖四、測(cè)試儀器與數(shù)據(jù)分析4.1 測(cè)試儀器5位半數(shù)字萬(wàn)用表，4位半萬(wàn)用表42測(cè)試數(shù)據(jù)與分析（1）U2=30V條件下對(duì)電池恒流充電，電流I1在1-2A變化過(guò)程中測(cè)量值如下表：按按鍵次數(shù)12345678910I1測(cè)量值（A）10.991.011.061.071.101.121.141.161.17， (2)設(shè)定I1=2A，使U2在24-36V范圍內(nèi)變化時(shí)，測(cè)量記錄I1的值。數(shù)據(jù)如下：U2（V）24252627282930313236I1（A）1.991.981.981.991.971.981.991.962.011.99（3）設(shè)定I1=2A，在U2=30V，測(cè)量U1，I2，計(jì)算效率。數(shù)據(jù)如下：當(dāng)I1

12、=2A，U2=30V時(shí)，測(cè)得I2=1.47A，U1=20V，由此計(jì)算效率為97%。（4）放電模式下，保持U2=30V，計(jì)算效率，數(shù)據(jù)如下：當(dāng)U2=30V時(shí)，I2=1.02A，U1=18.9V，I1=0.63A，由此計(jì)算效率為98%。（5）使US在32-38V范圍內(nèi)變化時(shí)U2記錄如下：Us/V32333334353637U2/V29.729.829.829.929.830.330.4以上數(shù)據(jù)可以說(shuō)明，本次設(shè)計(jì)的雙向DCDC變換器，各項(xiàng)指標(biāo)均在題設(shè)范圍內(nèi)，是符合要求的。16附錄1：電路原理圖附錄2：源程序#include<reg52.h> #include <intrins.h&

13、gt; #include <I2c.h>unsigned char ReadADC(unsigned char Chl); /AD采樣，有返回值void DAC(unsigned char Data); /DA輸出void delay(unsigned char j); /unsigned int datpro(void); /電壓采樣數(shù)據(jù)處理void led(int g,int a); /數(shù)碼管顯示void out_AD_led(); /輸出采樣電壓1void DA_out(); /DA輸出控制sbit key_1 = P34;sbit key_2= P35;sbit duan=

14、P26;sbit wei=P27;sbit in0 = P32;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d ,0x07,0x7f,0x6f,0x00;unsigned char num=102; /DA數(shù)模輸出變量初始值int main()while(1)DA_out();DAC(num);out_AD_led(); void out_AD_led() /led(1,datpro()/1000);led(2,datpro()%1000/100);led(3,datpro()%100/10);unsigned char

15、ReadADC(unsigned char Ch) / 讀取AD模數(shù)轉(zhuǎn)換的值，有返回值unsigned char Data;Start(); /寫(xiě)入芯片地址Send(AddWr);Ack();Send(0x40|Ch);/寫(xiě)入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自行添加 /Ch的值分別為0、1、2、3，分別代表1-4通道Ack();Start();Send(AddRd); /讀入地址Ack();Data=Read(); /讀數(shù)據(jù)Scl=0;NoAck();Stop();return Data; /返回值unsigned int datpro(void) /unsigned int di

16、anyah,dianyal;unsigned int dianya=0;unsigned char x;for(x=0;x<6;x+) dianya=ReadADC(1)+dianya;/輸入通道選擇通道dianya=dianya/6;dianyah=dianya&0xf0;dianyah=dianyah>>4;dianyal=dianya&0x0f;dianya=dianyal*20+dianyah*310;return(dianya);void DA_out() /if(key_1 = 0) delay(10);while(key_1 = 0);num=n

17、um - 1; if(key_2=0) delay(10);while(key_2=0);num=num + 1;void DAC(unsigned char Data) /Start();Send(AddWr); /寫(xiě)入芯片地址Ack();Send(0x40); /寫(xiě)入控制位，使能DAC輸出Ack();Send(Data); /寫(xiě)數(shù)據(jù)Ack();Stop(); void led(int g,int a) /if(g=1)P0 = 0Xfe ;wei = 1;wei = 0;P0 = tablea;duan = 1;delay(2);duan = 0;if(g=2)P0 = 0Xfd ;wei

18、 = 1;wei = 0;P0 = tablea|0x80;duan = 1;delay(2);duan = 0;if(g=3)P0 = 0Xfb ;wei = 1;wei = 0;P0 = tablea;duan = 1;delay(2);duan = 0;P0 = 0Xf7 ;wei = 1;wei = 0;P0 = 0x3e;duan = 1;duan = 0;void delay(unsigned char j) /unsigned int i;for(;j>0;j-)for(i=0;i<125;i+);#include <intrins.h> #define

19、AddWr 0x90 /寫(xiě)數(shù)據(jù)地址 #define AddRd 0x91 /讀數(shù)據(jù)地址 sbit RST=P24; /關(guān)掉時(shí)鐘芯片輸出 sbit Sda=P20; /定義總線連接端口sbit Scl=P21; /時(shí)鐘信號(hào) void Start(void) /啟動(dòng)IIC總線 Sda=1; _nop_(); Scl=1; _nop_(); Sda=0; _nop_(); Scl=0; void Stop(void) /停止IIC總線 Sda=0; _nop_(); Scl=1; _nop_(); Sda=1; _nop_(); Scl=0; void Ack(void)/應(yīng)答IIC總線 Sda=0;_nop_