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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I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
2、 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，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II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 .81一、系统方案1.1 双向 DC-DC 电路
3、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，能量从 V1传到V2。当 Q1保持关断，Q 2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。
4、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。2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 LT8
5、705 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 500kHz；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
6、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。31.3 电流电压测量 AD 模块的论证与选择方案 1：分别采用电
7、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
8、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
9、，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
10、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 LM25964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 ARM 32 位
11、 Cortex-M3 CPU 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 CMOS 8 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 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATME
12、L 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
13、与计算2.1 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5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开始U 2 = 3 0 V ?结束充电电流恒定 1 2 A按键控制电流步进2 A 稳定U 1 2 4 V关断降压 升压U 2 3 0 V ?N OY E S N O按键选择模式检测 U 2反向放电模式硬件电路自动控制自动模式恒流充电模式Y E S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。
