2015年全國大學生電子設計競賽雙向

1、2015年全國大學生電子設計競賽雙向-DC-DC-變換器（A題）設計報告2015年全國大學生電子設計競賽雙向DC-DC變換器（A題）【本科組】2015年8月13日第一章方案論證1.1論證比較錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽1.1.1實驗方案選擇1.1.2脈沖發(fā)生模塊的選擇1.2方案描述.第二章電路與程序設計.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.1主系統(tǒng)2.1.2子系統(tǒng)與器件選擇.2.2器件選擇錯誤!未定義書簽2.3程序功能描述.錯誤!未定義書簽第三章理論分析與計算.3.1參數(shù)的計算3.1.1電感的計算3.1.2開關頻率的計算3.1.3其他外圍參數(shù)的選擇3.1.4輸出電流設置第四章測試方案

2、與測試結(jié)果.4.1測試方案及測試條件64.1.1測試方案64.1.2測試條件4.2測試結(jié)果及其分析4.2.1測試結(jié)果4.2.2測試分析7788附錄1：電路實物圖本系統(tǒng)介紹了一種雙向DC-DC換器的基本原理和實現(xiàn)方法。由SG3525芯片產(chǎn)生的PWM波經(jīng)三極管傳入到電路中，驅(qū)動MOSFET管，使其關斷或?qū)?，使電壓升高或降低。同時，可由單片機監(jiān)測相應信號經(jīng)判斷后控制繼電器選擇放電或充電的模式使電路保持在一直正常情況下運行。當充電電壓超出限幅值時，單片機可自動斷開主電路，以保護系統(tǒng)安全。此外，本系統(tǒng)在設計時注重了高精度的要求，使輸出電流步進可控，且步進值小丁0.1A。而系統(tǒng)中各元件的選擇以低損耗為標

3、準，提高了系統(tǒng)的低功耗特性，使系統(tǒng)的效率達到最高。本系統(tǒng)經(jīng)過多次模擬與實驗，基本完成各項要求。關鍵字：DC-DC變換；低損耗；自動；可控；充電ABSTRACTThissystemintroducesthebasicprincipleandrealizationmethodofakindofbidirectionalDC-DCconverter.ThePWMwavegeneratedbytheSG3525chipisintroducedintothecircuitbythetransistor,drivingtheMOSFETtube,makingitshutofforon,sothatthev

4、oltageisraisedorlowered.Atthesametime,thesignalcanbemonitoredbyasinglechipmicrocomputertocontroltherelayselectiondischargeorchargingmodetokeepthecircuitundernormalcircumstances.Whenthechargingvoltageexceedsthelimit,thesinglechipmicrocomputercanautomaticallydisconnectthemaincircuittoprotectthesystems

5、ecurity.Inaddition,thesystemisdesignedwithhighaccuracyrequirements,sothattheoutputcurrentiscontrolled,andthestepvalueislessthan0.1A.Inthesystem,theselectionofthecomponentsofthesystemisthestandard,whichimprovesthesystem'slowpowerconsumptioncharacteristics,sothatthesystem'sefficiencyisthehighe

6、st.Thesystemhasbeensimulatedandtheexperiment,thebasiccompletionoftherequirements.Keyword:DC-DCtransform;Lowloss;Automatic;Controllable;Charge雙向DC-DC變換器（A題）【本科組】第一章方案論證1.1論證比較1.1.1實驗方案選擇方案一：雙向半橋DC-DC變換器雙向DC-DC變換器電路如圖1-1所示。通過控制開關T1和T2,達到雙向直流升壓與降壓的目的。在升壓運行時，T2動作，T1截止，變換器工作在BoostV1狀態(tài);當T1動作，T2截止時，變換器工作在B

7、uck狀態(tài)，實現(xiàn)降壓功能。圖1-1雙向半橋DC-DC換器方案二：雙向反激DC-DC變換器雙向DC-DC變換器電路如圖1-2所示。通過控制Qi和Q2開關，實現(xiàn)變換器工作模式的轉(zhuǎn)換。在升壓運行時，Qi導通，Q2關斷，N2同名端為正極，二極管反偏截止，所以電感變壓器此時作為電感運行，電能存儲在N2中，由輸出電容向負載供電；當Q1關斷，Q2導通時，變壓器各線圈感應電勢反號,同名端為負，迫使二極管導通，電感能轉(zhuǎn)為電場能量向負載放電和向電容充電。同理，相反步驟下為降壓運行。ViV2圖1-2雙向反激DC-DC變換器方案三：雙向包流DC-DC變換器該變換器分為包流源和包壓源兩部分電路，由開關控制兩部分的通斷，

8、來實現(xiàn)升壓和降壓的功能，最終實現(xiàn)DC-DC變換的目的。經(jīng)比較，方案三較為簡單，易丁實現(xiàn)，能盡量較少元器件的相互影響。故選擇方案三作為本次實驗方案。1.1.2脈沖發(fā)生模塊的選擇方案一：SG3525SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片,它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。方案二：TL494TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用丁單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。經(jīng)比較，SG3525能滿足

9、本次實驗的所需功能且較TL494穩(wěn)定、簡單，故選擇SG3525作為本次實驗的PWMH制芯片。1.2方案描述經(jīng)過論證，本次實驗采用SM2535芯片產(chǎn)生PWM來供給DC-DC模塊來控制輸出電壓的高低，并由STM32單片機檢測所需檢測的電壓電流，進而控制DC-DC模塊的工作模式，實現(xiàn)比賽所要求的各項目的。第二章電路與程序設計2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.1主系統(tǒng)圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2子系統(tǒng)與器件選擇(1) 升壓電路模塊VinClN47pH/450V1.33H/4AD11N582434XL6009512VINFBGND105ON_TLOFFH<>13.8K1<>=1K105

10、Vout18.5VR2EN220pH/50VCOUTBoostconverterInput12V16VOutput18.5V/2.5AVout=1.25*(1+R2/R1)圖2-2XL6009BOOST電路基丁VAS1210降壓電路模塊膝12&圖2-3VAS1210原理圖(功率路徑：MOS閉合時，綠線表示；MO顫開時，紅線表示。)2.2器件選擇(1) 電容的選擇輸入電容：22uF或者更大。(2) 肖特基二極管的選擇肖特基二極管：電流能力須大丁輸出電流，且反向擊穿電壓要大丁輸入電壓。2.3程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設置和顯示。(1) 鍵盤實現(xiàn)功能：設置電流的比例(2)

11、 顯示部分：顯示電壓值和電流值(3) 程序設計思路在系統(tǒng)中，軟件的主要作用是完成命令輸入、輸出采樣、軟件過流保護和結(jié)果顯示等功能，設計相對簡單。第三章理論分析與計算3.1參數(shù)的計算3.1.1電感的計算電感量的選擇直接關系到系統(tǒng)的工作頻率，電感量大則工作頻率低，電感量小則工作頻率高。大的感量可降低頻率從而減小NMOS:的開關損耗，但對丁相同體積電感，感量越大電感的繞線電阻也越大，則電感上的損耗也越大。系統(tǒng)工作頻率的計算：f1/(ToffTon)3.1.2開關頻率的計算開關頻率和MOS管的功耗有很大的關系，頻率越高，產(chǎn)生的損耗越大。較低的電路工作頻率可以降低MOS管的開關損耗，但輸出電壓脈動會增大

12、，因此應在允許的頻率范圍內(nèi)選擇較低的頻率。合適的開關頻率大致處丁20KHz與60KHz之間，本系統(tǒng)選取開關頻率為30KHz,可以降低損耗。3.1.3其他外圍參數(shù)選擇外置增強型N-MOSFET:芯片Gate驅(qū)動電壓為10V，要選取柵耐壓10V的MOS管，且Vds擊穿電壓要大丁輸入電壓，飽和電流要大丁輸出電流，導通電阻關系到工作效率問題，MOS管消耗功率為：八/,2Ploss1M1Rds(on)OUTOUT_RdS(ON)VIN3.1.4輸出電流設置芯片輸出電流大小可通過選擇檢測電阻RSN味設置，輸出平均電流大小與RSN聯(lián)系為：,_0.2VIout=Rsns芯片輸入電流、電壓與輸出電流、工作效率關

13、系可表示如下：IVoutoutIinVin第四章測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案及測試條件4.1.1測試方案(1)硬件測試首先，將硬件主電路分成兩個模塊分開測試，測試輸入電壓、電流與輸出電壓、電流之間的關系。經(jīng)測試各模塊符合要求后，加入控制模塊進行測試,最后將各個模塊合并再次進行測試，分別以此測試所要求項目。(2)軟件仿真測試BOOST升壓電路仿真Discrete,Ts=1e-006s.powerguisScope160TheVoltageofBoostcurrentooo,oio42086T404.1.2測試條件測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同,并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表。4.2.1測試結(jié)果當電壓U2不變時，測量改變占空比對充電電流I1幅值的影響過程。U2=30Vd0與空比C(%404244464850525456目嘛I1(A)1.241.281.321.361.391.431.471.501.53d0與空比c(%586062646668707274目嘛I1(A)1.581.611.651.701.731.771.801.831.86調(diào)整電壓U2的幅值，觀察充電電流I1的變化過程EI且壓J2(V)25.629.83.134.