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1、-#2015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器（A题）2015年8月16日摘要:本系统以同步整流电路为核心构成双向DC-DC电路，用两块LT8705构建双向DCDC,当系统选择了充电模式，则关断放电的LT8705模块，当放电的时候则关断充电LT8705模块。自动模式的时候通过系统自动调整输入输出模式，使得系统达到稳定。系统充电电流I1在 12A 范围内步进可调；设定I1=2A后，U2在2436V范围内变化时，充电电流I1的变化率小于1%；设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率达到95%；12864实时显示充电电流的数值，精度误差小于2%；具有过充保护功能；放电模式时，
2、保持U2=300.5V，变换器效率达到97%，满足题目要求。关键词：双向DC-DC电路； LT8705；关断保护目录一、系统方案11.1双向DC-DC 电路方案论证与选择11.2电流监测反馈模块的选择21.3电流电压测量AD模块的论证与选择31.4辅助电源的选择31.5单片机的选择4二、理论分析与计算42.1提高效率的方法4三、核心部分电路及程序设计5四、测试方法与数据6五、结果分析8六、参考文献8一、系统方案1.1双向DC-DC 电路方案论证与选择方案1：采用双向Buck-Boost DC-DC变换电路。工作原理：当Q2保持关断，Q1采用PWM工作方式工作时，变换器实际是一个Buck电路，能
3、量从V1传到V2。当Q1保持关断，Q2采用PWM工作方式工作时，交换器相当于一个Boost电路，能量从V2传到V1。如图1所示。其可以实现降压充电又可实现升压输出，有较好的灵活性。驱动开关管部分电路简单，但效率达不到要求。 图1 双向Buck-Boost DC-DC变换电路方案2：采用LT8705降压-升压型DC-DC控制器，该器件可以在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下运作。输入电压范围：2.8V至80V；输出电压1.3V至80V。同步整流：效率高达98%，可同步的固定频率：100KHz至400KHz。该方案的优点，效率极高，可以很好的满足题目的效率要求。电路原理图见附图1。方案3：采
4、用双向半桥DC-DC变换电路。如图2，电路由两个半桥组成，高压侧为电压型半桥，低压侧为电流型半桥Lr为变压器漏感与外加电感之和。由于变压器的激磁电感Lm远远大于漏感，因此可以将其忽略。该方案电路相对复杂，且有变压器整个系统质量偏重，效率较低，不符合题目要求。图2 双向半桥DC-DC变换电路分析： 方案二效率更高，且电路简单易实现，故选用LT8705作为双向DC-DC电路的主要芯片。1.2电流监测反馈模块的选择方案1：采用INA196电流采样芯片，INA194是16位电流检测器。共模电压范围-16到+36v，工作温度范围-45C到+125C，在整个工作温度范围内，误差小于3%；带宽可达500kH
5、z；静态电流最大值900uA；输出电压正比于检测电流，检测电流范围大；内部运放输出接近电源电压：与V+差0.1V，与GND差3mV，工作温度范围-45C到+125C，该方案的优点是：精度高，功耗低，电路简单易实现。方案2：采用MAX471精密电流传感放大器MAX471。MAX471内置35m精密传感电阻,可测量电流的上下限为3A。所需的供电电压VBRVCC为336V,所能跟踪的电流的变化频率可达到130kHz。该方案的优点：响应速度快，精度可观。方案3：采用AD8221精密仪表放大器，AD8221是一款增益可编程、高性能仪表放大器，相比于同类芯片其相对于频率的共模抑制比（CMRR）最高，从而打
6、打降低对滤波器的要求，该器件的额定工作温度为-40C至+85C，该方案的优点：功耗低，速度快。分析：AD8221的精度相比于其他两个芯片更高，且性能最佳，故选用AD8221作为电流检测反馈模块的主要芯片。1.3电流电压测量AD模块的论证与选择方案1：分别采用电流电压型模数转换芯片ADC0832和ADC0809。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性
7、能强。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。单个+5V电源供电。该芯片，分辨率相对较低，不符合题目的分辨率要求。方案2：采用ADS8688单电源8通道逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)，其工作时的吞吐量可达500kSPS。支持自动和手动两种扫描模式的 4 通道或 8 通道多路复用器、以及低温度漂移的片上 4.096V 基准电压。 采用 5V 单模拟电源供电时，器件上的各输入通道均可支持 10.24V、5.12V 和 2.56V 的实际双极输入范围以及 0V 到 10.24V 和 0V 到 5.12V 的单极输入范围。模拟
8、前端在所有输入范围内的增益均经过精确微调，以确保高直流精度。 输入范围的选择可通过软件进行编程，各通道输入范围的选择相互独立，输出保护电压高达20 V,低功耗65mW,具有极好的性能。该方案的优点是，精度（分辨率）高，速度快，功耗低。分析：方案一用了两块芯片，电路比较复杂，且精度不高温度漂移大，使系统准确性不高，且相比于方案二功耗更高，所以本设计选用方案二。1.4辅助电源的选择方案1：采用凌力尔特公司的LTC3114。LTC3114是可编程输出电流DC/DC转换器,输出电压可低于或高于输入电压。输入电压范围2.2 v至40 v，输出电压范围2.7V至40V，输出电流可达1安。效率高达96%。该
9、方案的优点是：效率高，电路简单。 方案2：采用LM2596S-5V开关电压调节器，LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可以稳定输出5V电压。内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内。分析：考虑到输出电压稳定性及系统质量的要求，本设计选用
10、方案二的 LM2596S-5V开关电压调节器1.5单片机的选择方案1：采用STM32F103系列单片机。该单片机采用ARM32位Cortex-M3CPU内核，最高72MHz工作频率，128K字节的闪存程序存储器高达20K字节的SRAM，2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。具有速度快，功耗低，体积小重量轻的优点。方案2：AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取
11、数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元， AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。分析：由于本系统对单片机处理速度要求较高，故选用速度更快且功耗更低的STM32来作为整个系统的控制模块芯片。二、理论分析与计算2
12、.1提高效率的方法（1） 采用LT8705作为双向DC-DC电路的核心，LT8705用4个反馈环路来调节输入电流/电压以及输出电流/电压。使用的同步整流能能有效的提高效率，达到98%以上，相比于采用拓扑结构的方案效率更高。（2） 使用印制电路板，低线路进行合理的布局，使电路更稳定，防止电路过激或震荡， 增强电路可靠性，降低功耗，提高效率。三、核心部分电路及程序设计图3程序结构框图外接30伏电压时系统为充电模式，AD芯片采集电流电压信号反馈单片机，实现恒流输入，并实时显示，按键扫描检测按键是否按下，来控制充电电流大小，充电电压超过阀值时，自动断电。接负载时自动切换为放电模式，AD芯片采集输出电压
13、信号传输到单片机对比，进行闭环控制，保证输出电压为恒定30伏。图4 系统结构框图四、测试方法与数据（1）题目要求：U2=30V 条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1在12A范围内步进可调，步进值不大于 0.1A，电流控制精度不低于 5%。测试结果如下：表1 充电电流步进控制检测数据按键次数12345678910理论电流值(A)1.051.101.151.201.251.301.351.401.451.50实际电流值(A)1.041.111.131.211.241.291.331.381.441.49按键次数11121314151617181920理论电流值(A)1.551.601.651.
14、701.751.801.851.901.952.00实际电流值(A)1.531.581.651.681.751.801.861.881.952.01电流初始值1A，每按两次键，理论充电电流增加0.05A。根据电流控制定义式：eIc=I1-I10I10*100% 实际电流控制值精度为2%，符合题目要求。（2）题目要求：设定I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，使U2在2436V范围内变化时，要求充电电流I1的变化率不大于 1%。测试结果如下：表2 充电电流调整率测试数据输入电压U2/V242628303234充电电流I1/A1.981.981.992.001.992.01根据电流变化率计算公式：SI1=I11-I12I1*100% 实际电流变化率为0.5%，符合题目要求。（3）题目要求：测量并显示充电电流I1，在I1=12A范围内测量精度不低于2%。测试结果如下：表3 显示电流测试数据实际电流I11.0121.2351.4361.6451.8052.003显示电流IX/A1.0051.2201.4021.6001.8232.023根据测试结果，测量精度误差低于2%符合题目要求。（4）题目要求：接通S1、S2，断开S3，调整直流稳压电源输出电压，使Us在3238V范围内变化时，双向DC-D
