雙向DC-DC變換器報(bào)告

1、2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽雙向DGDC變換器（A題）2015年8月16日 摘要:本系統(tǒng)以同步整流電路為核心構(gòu)成雙向 DG-DC電路，用兩塊LT8705構(gòu)建雙 向DC DC當(dāng)系統(tǒng)選擇了充電模式，則關(guān)斷放電的LT8705模塊，當(dāng)放電的時(shí)候則 關(guān)斷充電LT8705模塊。自動(dòng)模式的時(shí)候通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整輸入輸出模式，使得 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。系統(tǒng)充電電流Ii在12A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)；設(shè)定li=2A后，U2在 2436V范圍內(nèi)變化時(shí)，充電電流I i的變化率小于1%設(shè)定I1=2A，在U2=30V條 件下，變換器的效率達(dá)到 95%；12864實(shí)時(shí)顯示充電電流的數(shù)值，精度誤差小于 2%具有過(guò)充保護(hù)功能；放電模式時(shí)

2、，保持 U2=30土，變換器效率達(dá)到97%滿 足題目要求。關(guān)鍵詞：雙向DC-DC電路；LT8705 ;關(guān)斷保護(hù)目錄一、系統(tǒng)方案雙向DC-DC電路方案論證與選擇方案1:采用雙向Buck-Boost DC-DC變換電路。工作原理：當(dāng)Q2保持關(guān)斷，Q采用PWM工作方式工作時(shí)，變換器實(shí)際是一個(gè) Buck電路，能量從V傳到 V 當(dāng)Q保持關(guān)斷，Q采用PW工作方式工作時(shí)，交換器相當(dāng)于一個(gè) Boost電路，能 量從V2傳到Vio如圖1所示。其可以實(shí)現(xiàn)降壓充電又可實(shí)現(xiàn)升壓輸出， 有較好的 靈活性。驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管部分電路簡(jiǎn)單，但效率達(dá)不到要求。方案2:采用LT8705降壓-升壓型DC-DC控制器，該器件可以在輸入電壓

3、高 于、低于或等于輸出電壓的情況下運(yùn)作。輸入電壓范圍：至80V;輸出電壓至80V。 同步整流：效率高達(dá) 98%可同步的固定頻率：100KHZ至400KHZ該方案的優(yōu) 點(diǎn)，效率極高，可以很好的滿足題目的效率要求。電路原理圖見(jiàn)附圖1o方案3：采用雙向半橋DC-DC變換電路。如圖2，電路由兩個(gè)半橋組成，高 壓側(cè)為電壓型半橋，低壓側(cè)為電流型半橋 Lr為變壓器漏感與外加電感之和。由 于變壓器的激磁電感Lm遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漏感，因此可以將其忽略。該方案電路相對(duì)復(fù) 雜，且有變壓器整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量偏重，效率較低，不符合題目要求。能量流動(dòng)分析：方案二效率更高，且電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，故選用LT8705作為雙向DC-DC 電路的主

4、要芯片。電流監(jiān)測(cè)反饋模塊的選擇方案1：采用INA196電流采樣芯片，INA194是16位電流檢測(cè)器。共模電壓 范圍-16到+36v,工作溫度范圍-45 C到+125 C,在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，誤 差小于3%帶寬可達(dá)500kHz;靜態(tài)電流最大值900uA輸出電壓正比于檢測(cè)電 流，檢測(cè)電流范圍大；內(nèi)部運(yùn)放輸出接近電源電壓：與V+差，與GND差 3mV工作溫度范圍-45 C到+125 C,該方案的優(yōu)點(diǎn)是：精度高，功耗低，電路簡(jiǎn)單易 實(shí)現(xiàn)。方案2：采用MAX47精密電流傳感放大器 MAX471 MAX471內(nèi)置35mQ精密 傳感電阻,可測(cè)量電流的上下限為土 3A。所需的供電電壓VBR/VCC為336V

5、,所 能跟蹤的電流的變化頻率可達(dá)到130kHz。該方案的優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，精度可觀。方案3：采用AD8221精密儀表放大器，AD8221是一款增益可編程、高性能 儀表放大器，相比于同類芯片其相對(duì)于頻率的共模抑制比（ CMR）最高，從而打 打降低對(duì)濾波器的要求，該器件的額定工作溫度為 -40 C至+85。C,該方案的 優(yōu)點(diǎn)：功耗低，速度快。分析：AD8221的精度相比于其他兩個(gè)芯片更高，且性能最佳，故選用AD8221 作為電流檢測(cè)反饋模塊的主要芯片。電流電壓測(cè)量 AD 模塊的論證與選擇方案1:分別采用電流電壓型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0832和ADC0809 ADC0832 是生產(chǎn)的一種8、雙通道A

6、/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般 的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓 輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32卩S,據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為，以減少 數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。ADC0809是 CMO單片型逐次逼近式A/D, 8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。單個(gè)+5V電源供電。該芯片， 分辨率相對(duì)較低，不符合題目的分辨率要求。方案2:采用ADS8688單電源8通道逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)， 其工作時(shí)的吞吐量可達(dá)500kSPS支持自動(dòng)和手動(dòng)兩種掃描模式的 4通道或8 通道多路復(fù)用器、以及低溫度漂移的片上 基

7、準(zhǔn)電壓。 采用 5V 單模擬電源供 電時(shí)，器件 上的各輸入通道均可支持 、 和 的實(shí)際雙極輸入范圍以及 0V 到 和 0V 到 的單極輸入范圍。 模擬前端在所有輸入范圍內(nèi)的增益均經(jīng)過(guò) 精確微調(diào)，以確保高直流精度。 輸入范圍的選擇可通過(guò)軟件進(jìn)行編程，各通道 輸入范圍的選擇相互獨(dú)立，輸出保護(hù)電壓高達(dá)土 20 V,低功耗65mW具有極好的 性能。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，精度(分辨率)高，速度快，功耗低。分析: 方案一用了兩塊芯片，電路比較復(fù)雜，且精度不高溫度漂移大，使系 統(tǒng)準(zhǔn)確性不高，且相比于方案二功耗更高，所以本設(shè)計(jì)選用方案二。輔助電源的選擇方案1:采用凌力爾特公司的LTC3114 LTC3114是可編程

8、輸出電流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,輸出電壓可低于或高于輸入電壓。輸入電壓范圍 v至40 V，輸出電壓 范圍至40V,輸出電流可達(dá)1安。效率高達(dá)96%該方案的優(yōu)點(diǎn)是：效率高，電 路簡(jiǎn)單。方案2:采用LM2596S-5V開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓 型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù) 載調(diào)節(jié)特性?？梢苑€(wěn)定輸出5V電壓。內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開(kāi) 關(guān)頻率為150KHz與低頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。 由于該器件只需 4 個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了 LM2596 的使用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)

9、計(jì)。在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的 條件下，輸出電壓的誤差可以保證在 4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在 15%的范圍內(nèi)分析：考慮到輸出電壓穩(wěn)定性及系統(tǒng)質(zhì)量的要求，本設(shè)計(jì)選用方案二的LM2596S-5V開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器單片機(jī)的選擇方案1采用STM32F10系列單片機(jī)。該單片機(jī)采用 ARM?3位Cortex-M3?CPU 內(nèi)核，最高72MHz工作頻率，128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器高達(dá) 20K字節(jié)的SRAM 2個(gè)12位的ADC 3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWME時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn) 的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USAR接口、一個(gè)USB接口和 一個(gè)CAN接口。具有速度快，功耗低，體積小重

10、量輕的優(yōu)點(diǎn)。方案2： AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能？8位，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù) 擦寫的只讀和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（），器件采用的高密度、非 易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51片內(nèi)置通用8位和Flash，AT89C52 有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3 個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可 以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。分析：由于本系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)處理速度要求

11、較高，故選用速度更快且功耗更低的STM32來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制模塊芯片。二、理論分析與計(jì)算提高效率的方法（1）采用LT8705作為雙向DC-DC電路的核心，LT8705用4個(gè)反饋環(huán)路來(lái)調(diào)節(jié)輸入電流/電壓以及輸出電流/電壓。使用的同步整流能能有效的提高效率，達(dá)到98%上，相比于采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案效率更高。（2）使用印制電路板，低線路進(jìn)行合理的布局，使電路更穩(wěn)定，防止電路過(guò)激或震蕩， 增強(qiáng)電路可靠性，降低功耗，提高效率。三、核心部分電路及程序設(shè)計(jì)開(kāi)始結(jié)束圖3程序結(jié)構(gòu)框圖外接30伏電壓時(shí)系統(tǒng)為充電模式，AD芯片采集電流電壓信號(hào)反饋單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)恒流輸入，并實(shí)時(shí)顯示，按鍵掃描檢測(cè)按鍵是否按下，來(lái)控制充電

12、電流大小，充電電壓超過(guò)閥值時(shí)，自動(dòng)斷電。接負(fù)載時(shí)自動(dòng)切換為放電模式，AD芯片采集輸出電壓信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)對(duì)比，進(jìn)行閉環(huán)控制，保證輸出電壓為恒定30伏圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖四、測(cè)試方法與數(shù)據(jù)(1題目要求：U=30V條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池恒流充電。充電電流 I i在12A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值不大于 ，電流控制精度不低于5%。測(cè)試結(jié)果如下：表1充電電流步進(jìn)控制檢測(cè)數(shù)據(jù)按鍵次數(shù)12345678910理論 電流值(A)實(shí)際 電流值(A)按鍵次數(shù)11121314151617181920理論 電流 值(A)實(shí)際 電流值(A)電流初始值1A,每按兩次鍵，理論充電電流增加。根據(jù)電流控制定義式:?- ?= “|?100%

13、 ?1?實(shí)際電流控制值精度為2%符合題目要求。（2）題目要求：設(shè)定li=2A,調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使 U2在2436V 范圍內(nèi)變化時(shí)，要求充電電流li的變化率不大于1%。測(cè)試結(jié)果如下：表2充電電流調(diào)整率測(cè)試數(shù)據(jù)輸入電壓U2/V242628303234充電電流I i/A根據(jù)電流變化率計(jì)算公式:Mi - “2Sti= * 100%（2）實(shí)際電流變化率為%符合題目要求。（3）題目要求：測(cè)量并顯示充電電流li,在I i=12A范圍內(nèi)測(cè)量精度不 低于2%測(cè)試結(jié)果如下：表3顯示電流測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)際電流I i顯示電流Ix/A根據(jù)測(cè)試結(jié)果，測(cè)量精度誤差低于 2%符合題目要求。（4）題目要求：接通 Si、S2

14、,斷開(kāi)S3,調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使Us在3238V范圍內(nèi)變化時(shí)，雙向DC-DCfe路能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式并保持 U2=30 。測(cè)試結(jié)果如下:表4電壓調(diào)整率測(cè)試數(shù)據(jù)直流穩(wěn)壓 電源輸出 電壓Us/V32333435363738U2/V根據(jù)測(cè)試結(jié)果，電壓值基本能穩(wěn)定在 30 土，基本滿足題目要求。(5) 充放電效率及質(zhì)量測(cè)量。充電效率為95%放電效率為97%很好的達(dá)到了題目的要求。五、結(jié)果分析經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)充電電流I i在12A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)；設(shè)定li=2A后，U2在2436V范圍內(nèi)變化時(shí)，充電電流I i的變化率小于1%設(shè)定I1=2A，在U2=30V條 件下，變換器的效率達(dá)到95% 12864實(shí)時(shí)顯示充電電流的數(shù)值，精度誤差小于 2%具有過(guò)充保護(hù)功能；放電模式時(shí)，保持U2=30土，變換器效率達(dá)到97%滿足題目要求。六、參考文獻(xiàn)1 周志敏，開(kāi)關(guān)電源實(shí)用技術(shù)M.北京：人民郵電出版社，20072 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分M.第五版.北京：高等教育出版社，20063 王兆安，劉進(jìn)軍，電力電子技術(shù)M.第五版.北京機(jī)械工業(yè)出版社，20094 Raymond A. Mack,Jr.開(kāi)關(guān)電源入門M.北京：人民郵電出版社，2007 張占松，蔡宣三，開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) M.修訂版.北京：電子工業(yè)出版 社，2007o poluoln夬sueuo)七=9 L