2015年全國大學生電子設(shè)計競賽雙向-DC-DC-變換器(A題)設(shè)計報告

1、2015年全國大學生電子設(shè)計競賽雙向 DC-DC 變換器（A題）【本科組】2015年8月13日目 錄TOC o 1-3 h u 摘 要本系統(tǒng)介紹了一種雙向DC-DC變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(guān)斷或?qū)ǎ闺妷荷呋蚪档?。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(shè)計時注重了高精度的要求，使輸出電流步進可控，且步進值小于0.1A。而系統(tǒng)中各元件的選擇以低損耗為標準，提高了系統(tǒng)的低功耗特

2、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(guān)鍵字：DC-DC變換；低損耗；自動；可控；充電ABSTRACT This system introduces the basic principle and realization method of a kind of bidirectional DC-DC converter. The PWM wave generated by the SG3525 chip is introduced into the circuit by the transistor, driving the MOSFET tube, makin

3、g it shut off or on, so that the voltage is raised or lowered. At the same time, the signal can be monitored by a single chip microcomputer to control the relay selection discharge or charging mode to keep the circuit under normal circumstances. When the charging voltage exceeds the limit, the singl

4、e chip microcomputer can automatically disconnect the main circuit to protect the system security. In addition, the system is designed with high accuracy requirements, so that the output current is controlled, and the step value is less than 0.1A. In the system, the selection of the components of th

5、e system is the standard, which improves the systems low power consumption characteristics, so that the systems efficiency is the highest. The system has been simulated and the experiment, the basic completion of the requirements.Keyword: DC-DC transform; Low loss; Automatic; Controllable; Charge雙向

6、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(guān)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Boost狀態(tài);當T1動作，T2截止時，變換器工作在Buck狀態(tài)，實現(xiàn)降壓功能。圖1-1 雙向半橋DC-DC變換器 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Q1和Q2開關(guān)，實現(xiàn)變換器工作模式的轉(zhuǎn)換。在升壓運行時，Q1導通，Q2關(guān)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

7、行，電能存儲在N2中，由輸出電容向負載供電；當Q1關(guān)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。圖1-2 雙向反激DC-DC變換器 方案三：雙向恒流DC-DC變換器 該變換器分為恒流源和恒壓源兩部分電路，由開關(guān)控制兩部分的通斷，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，易于實現(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：SG3525 SG3525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

8、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：TL494 TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。經(jīng)比較，SG3525能滿足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PWM控制芯片。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

9、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(shè)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）升壓電路模塊圖2-2 XL6009BOOST電路（2）基于VAS1210降壓電路模塊圖2-3 VAS1210原理圖（功率路徑： MOS閉合時， 綠線表示；MOS斷開時， 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：電流能力須大于輸出電流，且反向擊穿電壓要大于輸入電壓。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(shè)置和顯示。（1）鍵盤實現(xiàn)功能：設(shè)置電流的比例（2）顯示部分

10、：顯示電壓值和電流值（3）程序設(shè)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(shè)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(guān)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上的開關(guān)損耗，但對于相同體積電感，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：3.1.2開關(guān)頻率的計算 開關(guān)頻率和MOS管的功耗有很大的關(guān)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(guān)損耗，但輸出電壓脈動會增大，因此應在允許的頻率范圍內(nèi)選

11、擇較低的頻率。合適的開關(guān)頻率大致處于20KHz與60KHz之間，本系統(tǒng)選取開關(guān)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擊穿電壓要大于輸入電壓，飽和電流要大于輸出電流，導通電阻關(guān)系到工作效率問題，MOS管消耗功率為：3.1.4輸出電流設(shè)置芯片輸出電流大小可通過選擇檢測電阻RSNS來設(shè)置，輸出平均電流大小與RSNS關(guān)系為：芯片輸入電流、電壓與輸出電流、工作效率關(guān)系可表示如下：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

12、塊分開測試，測試輸入電壓、電流與輸出電壓、電流之間的關(guān)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。軟件仿真測試 BOOST升壓電路仿真4.1.2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測試結(jié)果及其分析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=30V占空比（%）404244464850525456電流I1（A）1.241.281.321.361.391.431.471.501.53占空比（%）586062646668707274電流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。電壓U2（V）25.626.227.128.929.831.232.5.33.134.9電流I1（A）2.001.991.992.