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1、1221102015年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC变换器（A题）【本科组】2015年08月15号摘 要 双向DC/DC变换器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是一种可在双象限运行的直流变换器，能够实现能量的双向传输。随着开关电源技术的不断发展，双向DC/DC变换器已经大量应用到电动汽车、太阳能电池阵、不间断电源和分布式电站等领域，其作为DC/DC变换器的一种新的形式，势必会在开关电源领域上占据越来越重要的地位。由于在需要使用双向DC/DC变换器的场合很大程度上减轻系统的体积重量及成本，所以具有重要研究价值。既然题目要求是作用于可充电锂电池的双向的D
2、C-DC变换器，肯定包括降压、升压、电压可调、恒流、等要求。考虑到题目对效率的要求，我们选择降压Buck电路，升压Boost电路，并用反馈电路和运放电路来实现电压可调和恒流等要求，通过一系列的测试和实验几大量的计算，基本上能完成题目的大部分要求。关键词： 双向DC/DC变换器；双向Buck-Boost变换器；效率；恒流稳压 目 录1系统方案41.1 DC-DC双向变换器模块的论证与选择4 1.2 测控电路系统的论证与选择42 系统理论分析与计算42.1 双向Buck-BOOST主拓电路的分析42.2 电感电流连续工作原理和基本关系52.3 控制方法与参数计算63 电路与程序设计73.1 电路的
3、设计73.1.1 系统总体框图73.1.2 给电池组充电Buck电路模块73.1.3 电池放电Boost升压模块83.1.4 测控模块电路原理图83.1.5 电源93.2 程序设计94 测试方案与测试结果154.1 测试方案154.2 测试条件与仪器154.3 测试结果及分析154.3.1 测试结果(数据)154.3.2 测试分析与结论161系统方案本系统主要由DC-DC双向变换器模块、测控电路模块及辅助电源模块构成，分别论证这几个模块的选择。1.1 DC-DC双向变换器模块的论证与选择方案一：采用大功率的线性稳压芯片搭建稳压电路，使充电压恒定，在输入电压高于充电合适电压时，实现对输入电压的降
4、压，为电池组充电。该电路外围简单，稳压充电不需要软件控制，简单方便，但转换效率低。同时采用采用基于NE555的普通升压电路，这种电路设计简单，成本低，但转换效率较低、电池电压利用率低、输出功率小 ，更不能不易与基于大功稳压芯片所构成的稳压电路结合构成DC-DC双向变换器。方案二：采用Buck-Boost电路，选择合适的开关管、续流二极管，电能的转化效率高，且电路简单，功耗小，稳压范围宽，能很好的实现输入降压，输出升压。但输入、输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁 干扰且输出纹波较大。所以实际应用时常加有输入， 输出滤波器。方案一简单轻便但会影响电源的效率，而方案二中的Buck电路能很好保对证
5、电源的降压要就对电池组充电，并且使电池组的充电率满足题目要求，所以采用方案二。1.2 测控电路系统的论证与选择 方案一：采用基于51单片机的数控电路，测控精度高，但不能连续可调，制作过程复杂，工作量大，并且造价高，维护复杂。 方案二： 基于UC3843的测控电路，电路简单，效率高，可靠性高，但随着负载的增大，输出波形变得不稳。 综合考虑采用采用方案二。2 系统理论分析与计算2.1 双向Buck-BOOST主拓电路的分析 Buck-Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器，其主电路与Buck或 Boost变换器所用的元器件相同，也有开关管 、二极管、电感、和电容构成。如
6、下图1所示。Buck-Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式。图2是电感电流连续时的主要波形。图3是Buck-Boost变换器在不同工作状态下的等效电路图。电感电流连续工作室时，有两种工作模式，图(3a)的开关管S1导通时的工作模式，图3（b）是开关管S1关断、L续流时的工作模式。图1 主电路图2电感电流连续工作波形 S1导通 S1断开图3 Buck-Boost不同开关模式下等效电路2.2 电感电流连续工作原理和基本关系电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有开关管S1导通和开关管S1关断两种工作模态。在开关模态10：t=0时，S1导通，电源电压加载电感上，电感电流线性增长
7、，二极管D戒指，负载电流由电容提供：t=时，电感电流增加到最大值，S1关断。在S1导通期间电感电流增加量在开关模态2T:稳态工作时，S1导通期间的增长量应等于S1关断期间的减小量，或作用在电感上电压的伏秒面积为零，有：由(2-8)式，若=0.5，则=；若0.5，则0.5，。设变换器没有损耗，则输入电流平均值和输出电流平均值之比为开关管S1截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压和输出电压之和，这也是二极管D截止时所承受的电压由图1-2可见，电感电流平均值等于S1和D导通期间流过的电流平均值和之和，即：开关管S1和二极管D电流的最大值、等于电感电流最大值。S1导通期间，电容电压的变化量即输出电
8、压脉动D由S1导通期间放电量=计算，因=，故：2.3 控制方法与参数计算1.Boost电路控制方法：负反馈。2.Buck电路控制方法：正反馈+负反馈。3.振荡频率计算公式：4.反馈深度：TL431是一种并联稳压集成电路。三端可调分流基准源、可编程输出电压:2.5V36V、电压参考误差：0.4% ，典型值25（TL431B）、低动态输出阻抗:0.22(典型值)、温度补偿操作全额定工作温度范围、负载电流1.0毫安-100毫安。全温度范围内温度特性平坦，典型值为50 ppm/，最大输入电压为37V、最大工作电流150mA、内基准电压为2.495V(25C)。5.放大器选用基于Lm358的放大电路，放
9、大倍数的计算公式： 6.软件算法：15f2k60s2单片机是高速/低功耗的单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。工作电压：5.5V - 3.8V（5V 单片机）/3.8V - 2.4V（3V 单片机）、工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的 080MHz、用户应用程序空间4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16。K/32K/40K/48K/56K/ 61K/字节、片上集成 1280字节/512/256字节 RAM、工作温度范围：0-75/-40-+85。提高效率的方法：提高
10、频率，改善电路结构。3 电路与程序设计 3.1 电路的设计 3.1.1 系统总体框图 系统总体框图如图四所示： 测控电路双向DC-DC变换电路 电池组直流稳压电源放电放电 图4系统总体框图3.1.2 给电池组充电Buck电路模块 降压充电模块原理图如图5（附录）所示。 图5降压buck电路原理图3.1.3 电池放电Boost升压模块 电池放电升压Boost电路原理图如图6所示。图6 升压Boost电路3.1.4 测控模块电路原理图 测控模块电路如下图 图7。 图7 测控电路图 3.1.5 电源 系统需要直流稳压电源供电，采用基于LM7805和LM7815的直流稳压电路给单片机、放大器供电。3.
11、2程序设计采用基于STC15F2K60S2的单片机系统，来控制电压和电流的显示，和调节数字电位计。源程序如下：#include STC15Fxxxx.h#include intrins.h#include codetab.h#include LQ12864.h#include stdio.h#include adc.h#includePCA.h#defineTimer0_Reload(65536UL -(MAIN_Fosc / 1000)/Timer 0 中断频率, 1000次/秒#define P1n_pure_input(bitn)P1M1 |= (bitn),P1M0 &= (bitn)
12、typedef unsigned char BYTE;sbit X9313W_INC = P32; /计数脉冲输入端，下降沿触发sbit X9313W_UPDN = P33; /方向，高电平加、低电平减sbit X9313W_CS = P34; /片选,低电平有效/*（STC12C5608AD 11MHZ z=1时精确延时1ms）*/void delayms(unsigned int z)unsigned int x,y;for(x=z; x0; x-)for(y=1848; y0; y-);void X9313W_SetVol(unsigned char RNumber) unsigned
13、char i; X9313W_INC = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 0; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 0; /先调到0 for(i=0;i32;i+) X9313W_INC = 1; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC = 0; _nop_(); _nop_(); X9313W_UPDN = 1; /调到指定值 for(i=0;iRNumber;i+) X9313W_INC=1; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC=0; _nop_(); _nop_(); X9313W_INC = 1; /电阻值保存 _nop_(); _nop_(); X9313W_CS = 1; _nop_();
