2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽雙向DC-DC變換器

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽雙向 DC-DC 變換器（ A 題）學(xué)號：呂剛2015 年 12 月 30 日摘要本設(shè)計(jì)主要由雙向 DC-DC 變換電路、測控顯示電路、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，過壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。

2、在本次設(shè)計(jì)中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目錄雙向 DC-DC 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

3、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MOSFEET,對輸入直流電源進(jìn)行斬波控制通過調(diào)整全控型器件VT 的控制信號占空比來調(diào)整輸出電壓。方案2:采用XL4016開關(guān)型降壓芯片和XL6019開關(guān)型升壓/降壓芯片構(gòu)成升壓、 降

4、壓電路具有低紋波，內(nèi)助功率MOSft有較高的輸入電壓范圍，內(nèi)置過電流保護(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)開發(fā)套件數(shù)量有限，所以我們選擇了一款相對便宜，速度快，性價(jià)比較高的 STM32103V8T6 作為控制器，顯示部分由于收到題目對作品重量的要求，選擇了質(zhì)量輕，分辨率較高的寸 OLED 屏幕顯示。由于市場上所售開關(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

5、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，選擇軟件較為簡單，硬件較為復(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，本次競賽選取XL4016為核心降壓芯片，具結(jié)構(gòu)如圖所示。管腳定義如下典型應(yīng)用電路如下放電電路設(shè)計(jì)分析XL6019是一款專為升壓、升降壓

6、設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5VgJ 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，簡化 了電路設(shè)計(jì)。PWM!制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090應(yīng)間線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功 能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下LI 47UH/5AOutput 21V /- 1.5AVOLT-Rl)con220uF/35V充電電路設(shè)計(jì)分析并且要求是一個(gè)恒流源，本次競賽選取XL4016為降壓模塊電路圖如下所示充電電路也就是一個(gè)降壓電路, 核心降壓芯片，具結(jié)構(gòu)如圖所示。XL4016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DC

7、5VIJ 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，簡化 了電路設(shè)計(jì)。PWM!制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090應(yīng)間線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下Ll 47UH/5ACOLT 220uF/35VBoost Converter Input L2V ' 22V Output 24Y1. 5AV0UT=L25*U+R2,RD三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)總體框圖電池組系統(tǒng)總體框圖如成，輔助電源為(圖 3-1)斤示，主要由輔助電源、測控電路、雙向 則控電蝌供電，測控電路用于檢測和控制雙向直流穩(wěn)壓DC

8、-DC 變等組DC-DC電路中強(qiáng)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降壓型直流對直流轉(zhuǎn)換器，最 大效率可達(dá)96%。輸出到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，通過對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開關(guān)電流升壓/降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器?？晒ぷ髟贒C5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率 MO

9、S、XL6019內(nèi)置固定頻 率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(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)對升壓模塊開啟與關(guān)斷。（圖 3-3）(4)測控電路電路原理圖測控電路如圖3-4所示，通過電阻分壓濾波后，使用單片機(jī) ADC采樣，得到輸入、 輸出電壓，以及電流和基準(zhǔn)電壓，使用TL431產(chǎn)生基準(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，再控制芯片的工作狀態(tài)。(圖 3-4)-Htil溫電源為減小

10、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和電壓為LM358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)測量顯示，切換模式，充電過壓保護(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)行打開光耦，讓升壓模塊工作；3程序流程圖1、系統(tǒng)總框圖Vin/Vout2、程序流程圖結(jié)書四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析測試儀器5位半數(shù)字萬用表，4位半萬用

11、表4. 2測試數(shù)據(jù)與分析(1) U2=30驚件下對電池恒流充電，電流I1在1-2A變化過程中測量值如下表:按按 鍵次 數(shù)12345678910I1測量值(A)1 設(shè)定I1=2A,使U2在24-36V范圍內(nèi)變化時(shí)，測量記錄I1的值。數(shù)據(jù)如下:U2(V)24252627282930313236I1 (A)(3)設(shè)定I1=2A,在U2=30V測量U1, I2 ,計(jì)算效率。數(shù)據(jù)如下:當(dāng)I1=2A, U2=30V寸，測得I2= , 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= , U1= I1=,由此計(jì)算效率為 98%(5)使US在32

12、-38V范圍內(nèi)變化時(shí)U2記錄如下：Us/V32333334353637U2/V以上數(shù)據(jù)可以說明，本次設(shè)計(jì)的雙向 DCDCE換器，各項(xiàng)指標(biāo)均在題設(shè)范圍內(nèi)，是符合要求的附錄 1：電路原理圖附錄2：源程序#include<>#include <>#include <>unsigned char ReadADC(unsigned char Chl); /AD 采樣，有返回值void DAC(unsigned char Data);void delay(unsigned char j);unsigned int datpro(void);void led(int g,

13、int a);void out_AD_led();void DA_out();sbit key_1 = P3 A4;sbit key_2= P3A5;sbit duan=P2A6;sbit wei=P2A7;sbit in0 = P3A2;unsigned char code/DA 輸出/電壓采樣數(shù)據(jù)處理/數(shù)碼管顯示/輸出采樣電壓1/DA 輸出控制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();

14、DAC(num);out_AD_led();行添加void out_AD_led()led(1,datpro()/1000);led(2,datpro()%1000/100);led(3,datpro()%100/10);unsigned char ReadADC(unsigned char Ch)unsigned char Data;Start();/寫入芯片地址Send(AddWr);Ack();Send(0x40|Ch);/ 寫入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自/ 讀取 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換的值， 有返回值/Ch 的值分別為 0、 1、 2、 3，分別代表1-4 通道Ack();

15、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 dianyah,dianyal;unsigned int dianya=0;unsigned char x;for(x=0;x<6;x+)dianya=ReadADC(1)+dianya;/dianya=dianya/6;dianyah=dianya&0xf0;dianyah=dianyah>>4;dianyal=dianya

16、&0x0f;dianya=dianyal*20+dianyah*310; return(dianya);void DA_out()if(key_1 = 0)delay(10);while(key_1 = 0);num=num - 1;if(key_2=0)delay(10);while(key_2=0);num=num + 1;void DAC(unsigned char Data)輸入通道選擇通道/Start();Send(AddWr); / 寫入芯片地址Ack();Send(0x40); /寫入控制位，使能DAC 輸出Ack();Send(Data); /寫數(shù)據(jù)Ack();Stop

17、();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 = 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

18、= 0;/void delay(unsigned char j) unsigned int i;for(;j>0;j-)for(i=0;i<125;i+);#include <>#define AddWr 0x90#define AddRd 0x91sbit RST=P2A4;sbit Sda=P2A0； sbit Scl=P2A1;void Start(void)/寫數(shù)據(jù)地址/讀數(shù)據(jù)地址/關(guān)掉時(shí)鐘芯片輸出/定義總線連接端口/時(shí)鐘信號/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Sd