雙向DC-DC變換

1、2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 論文 A題：雙向DC-DC變換器 2015年8月15日雙向DC-DC變換器（A題）摘 要本設(shè)計(jì)采用PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)雙向DCDC變換，可由外部電源給鋰電池充電，當(dāng)外部電源低于30伏時(shí)則由鋰電池直接給負(fù)載供電，且兩者可以根據(jù)外部電源電壓與鋰電池電壓的高低進(jìn)行自動(dòng)切換。本設(shè)計(jì)使用BUCK（直流斬波降壓電路）電路實(shí)現(xiàn)恒流充電，采用BOOST（直流斬波升壓拓?fù)潆娐罚?shí)現(xiàn)鋰電池給負(fù)載恒壓供電。本設(shè)計(jì)使用STM32為主控模塊，主要采用TL494來產(chǎn)生單路PWM波，該P(yáng)WM波進(jìn)入半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2401后可產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波，以此驅(qū)動(dòng)相應(yīng)大功率場(chǎng)效應(yīng)管，該驅(qū)動(dòng)方式屬于同步

2、整流的范圍，因此其效率可達(dá)到90%以上。關(guān)鍵字：DC-DC ，STM32 ，BOOST電路，BUCK電路，同步整流 AbstractThis design uses PWM technology to achieve two-way DC - DC transform, which can be charged by the external power to the lithium battery, when the external power supply is lower than 30 volts, and the two can automatically switch accor

3、ding to the voltage of the external power supply voltage and the lithium battery. The design uses BUCK (DC chopper circuit) circuit to achieve constant current charging, using BOOST (DC chopper boost topology) to achieve a lithium battery power supply to the load. This design use the STM32 as the ma

4、in control module, the main use of TL494 to produce a single PWM wave, the PWM wave after entering the half bridge driver chip IR2401 can generate two complementary PWM wave, so as to drive the corresponding high power field effect transistor, the drive is the synchronous rectification range, so the

5、 effect rate reached more than 90%.Keywords: DC - DC, STM32, BOOST circuit, buak circuit, synchronous rectifier一、方案論證及比較1.拓?fù)浞桨傅倪x擇和論證方案一：使用LM2596分別做兩個(gè)電路，一個(gè)用MAX417和LM2596做恒流源，實(shí)現(xiàn)外部電源給電池恒流充電，另一路使用LM2596作恒壓源，實(shí)現(xiàn)電池給負(fù)載供電。方案二：用BUCK電路作為降壓恒流源，實(shí)現(xiàn)給電池充電，用BOOST來升壓實(shí)現(xiàn)電池給負(fù)載供電。這兩個(gè)電路都是使用場(chǎng)效應(yīng)管和續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)的，存在效率低的缺點(diǎn)。方案三：方案三和方

6、案二類似，使用的都是BUCK和BOOST拓?fù)潆娐?，但使用了同步整流電路。同步整流是現(xiàn)在做電源的很好的一個(gè)整流電路，它可以很好的提高效率。由于在這道題中對(duì)效率的要求要達(dá)到90%以上，為了能滿足設(shè)計(jì)的需求，所以選擇方案三。電路圖如圖1-1所示。圖1-1 BUCK與BOOST與同步整流電路拓?fù)?.產(chǎn)生PWM波方案方案一：使用STM32的PWM功能，產(chǎn)生兩路的互補(bǔ)的PWM波，外加驅(qū)動(dòng)電路，直接去驅(qū)動(dòng)同步整流橋，然后在程序里面做到閉環(huán)控制，讓設(shè)定的PWM波的占空比能很好的跟蹤輸出，但是程序難度相對(duì)大，而且可靠性相對(duì)較低。方案二：使用TL494產(chǎn)生一路占空比可調(diào)，且占空比可達(dá)100%的PWM波，然后進(jìn)入一

7、個(gè)驅(qū)動(dòng)板橋的電路，由此產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波，然后直接去驅(qū)動(dòng)整流橋的上下管，實(shí)現(xiàn)整流功能，也就是實(shí)現(xiàn)BUCK電路的直流斬波降壓功能和BOOST的直流斬波升壓功能。同時(shí)由于使用TL494可以很好的實(shí)現(xiàn)硬件閉環(huán)控制,且易于結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控，所以選擇方案二。原理圖如圖1-2所示。圖1-2 PWM波產(chǎn)生電路3.處理器方案一：使用AT89S52來做為CPU實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)

8、可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方但內(nèi)部沒有AD和DA的功能資源，所以它的使用相對(duì)繁瑣。方案二：使用STM32作為處理芯片，讓它完成對(duì)電路的監(jiān)控測(cè)試和控制功能。STM32系列基于專為要求高性能、低成本，低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM，其有增強(qiáng)型和基本型。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘達(dá)到72MHz,是同類產(chǎn)品中性能最高，基本型時(shí)鐘為36M，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是32位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到

9、128K的內(nèi)存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA,是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz.由于STM32內(nèi)部自帶AD和DA轉(zhuǎn)換器，所以我們這次設(shè)計(jì)就使用STM32作為CPU實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的測(cè)試和監(jiān)控，從而達(dá)到了數(shù)控的目的。所以我們選擇方案二。4.顯示部分方案一：使用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管屬于低功耗的顯示器件，只能顯示數(shù)字，不能顯示字符，所以在這里不作考慮。方案二：使用LCD12864作為顯示材料，這是一個(gè)帶中文字庫(kù)的顯示設(shè)備，具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式， 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字和

10、128 個(gè)16*8點(diǎn)ASCII 字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。由于要顯示的內(nèi)容比較多，所以我們選擇的是方案二，使用LC12864作為顯示部分。5.電流采樣方案一：使用康銅絲電阻串聯(lián)進(jìn)電流環(huán)路，然后使用AD620把康銅絲兩端的電壓差轉(zhuǎn)換為單端對(duì)地信號(hào)，然后直接使用AD轉(zhuǎn)換芯片讀取回單片機(jī)就可以得到電流信號(hào)。方案二：使用max4172把電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后使用運(yùn)放跟隨器作緩沖，然后通過AD轉(zhuǎn)換，得到電流值。由于max4172是專用的電流檢測(cè)芯片，穩(wěn)定性更加好也更加安全可靠，而且價(jià)格更加便宜，綜合考慮使用方案二。二、系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1.系統(tǒng)

11、的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)才用BUCK電路實(shí)現(xiàn)降壓恒流模式充電，用STM32內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出的電流進(jìn)行采樣，得到的電流值通過計(jì)算，所得結(jié)果通過DA轉(zhuǎn)換反饋回TL494的誤差放大器的負(fù)端作為基準(zhǔn)電壓，通過改變基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)恒流，并可設(shè)定步進(jìn)功能。圖2-1 恒流框架圖圖2-2是用BOOST拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)電池給負(fù)載恒壓供電，用TL494來驅(qū)動(dòng)器同步橋，BOOST的升壓功能，同時(shí)也是使用DAC給TL494一個(gè)基準(zhǔn)電壓，然后用TL494實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，最后達(dá)到穩(wěn)壓輸出的效果。圖2-2 恒壓框架圖2.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)程序流程圖三、系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試1.測(cè)試儀器直流電源箱，雙蹤示波器，五位半萬用表。2.測(cè)試方法及結(jié)果由于系統(tǒng)總

12、TL494的使用開關(guān)功率使用的是25KHZ，把最小占空比設(shè)定為20%，最大占空比為905%所以電感的大小L=(Vin*D*(1-D)/(2I0f),所以經(jīng)計(jì)算L的大小為2mH。輸出電容：C=Io*don/(f*Vpp),參數(shù)帶入，C=220uF，2個(gè)220uF /50V電解電容并聯(lián)。輔助電源供電，由市電經(jīng)變壓器降壓后，然后又整流，濾波，最后經(jīng)三段穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后給電路供電，作為輔助電源。（1）電流控制精度的測(cè)量對(duì)恒流步進(jìn)模式進(jìn)行測(cè)量: U2=30V 條件下，測(cè)得的數(shù)據(jù)如下表。表3-1 電流精度測(cè)量值設(shè)定電流I（mA）儀器測(cè)得電流I2（mA）電流控制精度100010101%110011090.81%

13、120012090.66%130013200.76%140014000%150015080.53%160016201.25%170016900.58%180018150.83%190019100.52%200020502.50%由于電流控制精度定義為eic=|I2-I0|/I*100%,，從上表中可以看出，本次設(shè)計(jì)的電流控制精度滿足小于5%的要求.（2）電流變化效率的測(cè)量和效率測(cè)量條件是設(shè)定I1=2A模式充電，然后使U2在24V36V范圍內(nèi)變化時(shí)，要求充電電流的變化率不大與1%。電池接上。當(dāng)U2=36V時(shí)，充電電流I11=1.984A。U2=30V時(shí)，I1=1.945A。U2=24V時(shí)，I12

14、=1.945A。所以電流變化率為（I11-I12）/I1*100%=(1.964-1.945)/1.945*100%=0.97%<1%.所以滿足充電電流I1的變化率不大于1%的要求。 設(shè)定I1=2A，在U2=30V條件下，（3）測(cè)量精度在正常工作下測(cè)得如下數(shù)據(jù)：表3-2 電流對(duì)比表設(shè)定電流I（mA）顯示電流I1（mA）儀器測(cè)得電流I2（mA）電流控制精度1000103010101%1100112011090.99%1200124012092.50%1300131013200.76%1400140014000%1500153015081.45%1600160016201.25%170017

15、1016901.18%1800185018152.47%1900186019102.60%2000195020504.80%按照設(shè)計(jì)要求測(cè)量精度不低于2%的要求基本達(dá)到，但是可以看到還是相對(duì)不不穩(wěn)定。原因是由于測(cè)量時(shí)的采樣電阻有溫漂?？傮w來說這次設(shè)計(jì)基本能完成基礎(chǔ)部分，而且精度還是挺高的，基本滿足的設(shè)計(jì)的要求和任務(wù)。五、總結(jié)本次是我們大學(xué)最后一次參加電子設(shè)計(jì)大賽，四天三夜，我們從確定方案，否決方案，再確定方案，在這過程中有很多的問題出現(xiàn)，不同的想法，不同的見解，不同的理解，有過煩躁，有過失望，也有過驚喜，熬夜通宵的疲憊，渴望成績(jī)的那顆心。一次這樣的比賽自己就能成熟很多，學(xué)會(huì)接受更多，同時(shí)也知道自己的不滿足和知識(shí)的理解能還是有欠缺的。在比賽中我們有過討論有過抱怨，很多時(shí)候我們開始慢慢的考慮別人的感受，注意自己的方式方法，開始懂得團(tuán)隊(duì)的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)會(huì)大過一個(gè)人的力量。這是我們一生的寶貴經(jīng)驗(yàn)，這是我們這次參賽的最大收獲。六、參考文獻(xiàn)