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文档简介
1、2015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器( A 题)学号: 1440720117吕 刚2015 年 12 月 30 日摘要本设计主要由双向DC-DC 变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成,其中双向 DC-DC 变换电路降压部分采用 XL4016 开关降压型 DC-DC 转换芯片,最高转换效率可达 93%,升压部分采用 XL6019 开关型升压 /降压芯片,具有低纹波,输入范围广,转换效率高的特点。恒流部分采用 PWM 控制原理,形成一个闭环回路,控制电流恒定,恒压部分完全由硬件控制, 单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求,实现恒流充电,恒压放电,过压保护功能
2、,并且有着较高的转换效率。在本次设计中恒压部分完全有硬件控制,硬件自身形成一个闭环控制回路,对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。 单片机通过光耦电路的工作与停止,恒流部分由 PWM 调节占空比,使其恒流。关键字电池充放电升压降压XL4016XL6019STM32目录一、系统方案 .11、双向 DC-DC 变换电路的论证与选择12、测量控制方案和辅助电源的论证与选择13、 控制方法的论证与选择1二、系统理论分析与计算.2三、电路与程序设计.31、电路的设计3(1)系统总体框图32、程序的设计5(1)程序功能描述与设计思路5(2)程序流程图63、程序流程图.7四、测试仪器与数据分析.7附录
3、1:电路原理图9附录 2:源程序10双向 DC-DC 变换器( A 题)【本科组】一、系统方案本设计主要由双向 DC-DC 变换电路、测控显示电路、 辅助电源三部分构成, 其中双向 DC-DC 变换电路降压部分采用 XL4016 开关降压型 DC-DC 转换芯片,最高转换效率可达 93%,升压部分采用 XL6019 开关型升压 /降压芯片,具有低纹波,输入范围广,转换效率高的特点。 恒流部分采用 PWM 控制原理,形成一个闭环回路, 控制电流恒定,恒压部分完全由硬件控制,单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求,实现恒流充电,恒压放电,过压保护功能,并且有着较高的转换效率。1、双向
4、DC-DC 变换电路的论证与选择方案 1: 由降压斩波变换电路 ( 即 Buck 变换电路 ) 和升压斩波变换电路(即Boost电路)组成双向 DC-DC变换电路,分别各使用一个全控型器件 VT(IGBT 或 MOSFET),对输入直流电源进行斩波控制通过调整全控型器件 VT 的控制信号占空比来调整输出电压。方案 2:采用 XL4016 开关型降压芯片和 XL6019开关型升压 / 降压芯片构成升压、降压电路具有低纹波, 内助功率 MOS,具有较高的输入电压范围, 内置过电流保护功能与EN引脚逻辑电平关断功能。综合以上两种方案,考虑到时间的限制,选择了比较容易实现的方案2。2、测量控制方案和辅
5、助电源的论证与选择由于瑞萨单片机开发套件数量有限,所以我们选择了一款相对便宜,速度快,性价比较高的 STM32103V8T6 作为控制器,显示部分由于收到题目对作品重量的要求,选择了质量轻,分辨率较高的 0.96 寸 OLED 屏幕显示。由于市场上所售开关电源模块的,纹波大的因素,所以辅助电源选择了一个较小的 9V 变压器,进行,整流滤波作为辅助电源。3、控制方法的论证与选择方案 1:采用 PWM 调节占空比的方法控制降压芯片的控制端, 达到控制恒流和控制恒压的目的,采用 PWM 调节软件较为复杂,而且 PWM 调节较为缓慢,软件控制难度大。方案 2:恒压部分完全有硬件控制, 硬件自身形成一个
6、闭环控制回路, 对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止,恒流部分由 PWM 调节占空比,使其恒流。综合以上两种方案,选择软件较为简单,硬件较为复杂的方案2。二、系统理论分析与计算1、充电电路设计分析充电电路也就是一个降压电路,并且要求是一个恒流源,本次竞赛选取 XL4016为核心降压芯片,其结构如图所示。管脚定义如下 典型 应用电路如下2.2 放电电路设计分析XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路,可工作在DC5V到 40V输入电压范围,低纹波,内置功率 MOS。XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路,简化了电路设计。 PWM控制环路可以调
7、节占空比从 090%之间线性变化。内置过电流保护功能 与 EN 脚 逻 辑 电 平 关 断 功 能 。 典 型 应 用 电 路 如 下2.1充电电路设计分析充电电路也就是一个降压电路, 并且要求是一个恒流源, 本次竞赛选取 XL4016 为核心降压芯片,其结构如图所示。XL4016 降压模块电路图如下所示2.2 放电电路设计分析XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路,可工作在DC5V到 40V输入电压范围,低纹波,内置功率 MOS。XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路,简化了电路设计。 PWM控制环路可以调节占空比从 090%之间线性变化。内置过电流保护功能 与 EN 脚
8、 逻 辑 电 平 关 断 功 能 。 典 型 应 用 电 路 如 下三、电路与程序设计1、电路的设计( 1)系统总体框图辅助电源测控电路双向 DC-DC 变换电路直流稳压电池组电源(图3-1)系统总体框图如图 3-1 所示,主要由辅助电源、测控电路、双向成,辅助电源为测控电路供电,测控电路用于检测和控制双向电流的采集与控制。DC-DC 变换电路等组 DC-DC 电路,以及电压( 2)降压电路原理降压电路采用 XL4016 型 8A ,180KHz ,40V,PWM 降压型直流对直流转换器,最大效率可达 96%。输出 1.25V 到 36V 可调, 8A 恒定输出电流能力。如下图 3-2 所示为
9、 XL4016 降压部分电路图,通过对 FB 引脚的控制,可有效的实现电流及电压的控制。该转换器外围器件少,低纹波,调节简单,内置短路保护功能。PWM 占空比 0%到 100%连续可调。(图 3-2)( 3)升压电路原理图升压电路使用 XL6019 型 220KHz、60V 、5A 开关电流升压 /降压型 DC-DC 转换器。可工作在 DC5V 到 40V 输入电压范围,低纹波,内置功率MOS 、XL6019 内置固定频率振荡器与频率补偿电路,简化了电路设计。 PWM 控制环路可以调节占空比从之间线性变化。内置过流保护功能与 EN 脚逻辑电平关断功能。使用单片机控制脚实现对升压模块开启与关断。
10、090%EN 引(图3-3)( 4)测控电路电路原理图测控电路如图 3-4 所示,通过电阻分压滤波后,使用单片机ADC采样,得到输入、输出电压,以及电流和 2.5V 基准电压, 使用 TL431 产生 2.5V 基准电压用于矫正。恒压恒流控制使用单片机输出 PWM ,经滤波后使用 LM358 跟随,增强驱动能力,同时可减小输入控制端的能量消耗。使用比较器比较设定值与输出值,再控制芯片的工作状态。(图 3-4)电源为减小高频干扰,辅助电源使用 220V 到 9V 普通变压器,经整流滤波后使用 7812 和 HT7333 分别输出 12V 和 3.3V 电压为 LM358 和单片机小系统板供电。2
11、、程序的设计( 1)程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求, 软件部分实现测量显示, 切换模式,充电过压保护, 控制调节系统。2、程序设计思路( 1)、首先进行,按键, OLED 各个内设初始化;( 2)、进行按键扫描;(3)、判断模式;(4)、进行 PWM 控制电流,让输出为横流模式;( 5)、扫描按键;( 6)进行打开光耦,让升压模块工作;3 程序流程图1、系统总框图Vin/Vout升压降压电池2、程序流程图四、测试仪器与数据分析4.1 测试仪器5 位半数字万用表, 4 位半万用表42 测试数据与分析(1)U2=30V条件下对电池恒流充电,电流I1 在 1-2A 变化过程中测量
12、值如下表:按 按 12345678910键 次数I1 测10.991.011.061.071.101.121.141.161.17量 值( A),(2)设定 I1=2A,使 U2在 24-36V 范围内变化时,测量记录I1 的值。数据如下:U2(V)24252627282930313236I1(A)1.991.981.981.991.971.981.991.962.011.99(3)设定 I1=2A,在 U2=30V,测量 U1,I2 ,计算效率。数据如下:当 I1=2A,U2=30V时,测得 I2=1.47A ,U1=20V,由此计算效率为 97%。(4)放电模式下,保持 U2=30V,计算
13、效率,数据如下:当 U2=30V时, I2=1.02A ,U1=18.9V,I1=0.63A ,由此计算效率为 98%。(5)使 US在 32-38V 范围内变化时 U2 记录如下:Us/V32333334353637U2/V29.729.829.829.929.830.330.4以上数据可以说明,本次设计的双向 DCDC变换器,各项指标均在题设范围内,是符合要求的。附录 1:电路原理图附录 2:源程序#include#include #include unsigned char ReadADC(unsigned char Chl); /AD采样,有返回值void DAC(unsigned c
14、har Data);/DA 输出void delay(unsigned char j);/unsigned int datpro(void);/电压采样数据处理void led(int g,int a);/ 数码管显示void out_AD_led();/输出采样电压 1void DA_out();/DA 输出控制sbit key_1 = P34;sbit key_2= P35;sbit duan=P26;sbit wei=P27;sbit in0 = P32;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d ,0x07,0
15、x7f,0x6f,0x00;unsigned char num=102;/DA 数模输出变量初始值int main()while(1)DA_out();DAC(num);out_AD_led();void out_AD_led()/led(1,datpro()/1000);led(2,datpro()%1000/100);led(3,datpro()%100/10);unsigned char ReadADC(unsigned char Ch)/ 读取 AD 模数转换的值, 有返回值unsigned char Data;Start();/ 写入芯片地址Send(AddWr);Ack();Sen
16、d(0x40|Ch);/ 写入选择的通道,本程序只用单端输入,差分部分需要自行添加/Ch的值分别为0、 1、 2、 3,分别代表1-4 通道Ack();Start();Send(AddRd);/ 读入地址Ack();Data=Read();/ 读数据Scl=0;NoAck();Stop();return Data;/ 返回值unsigned int datpro(void)/unsigned int dianyah,dianyal;unsigned int dianya=0;unsigned char x;for(x=0;x4;dianyal=dianya&0x0f;dianya=dianya
17、l*20+dianyah*310;return(dianya);void DA_out()/if(key_1 = 0)delay(10);while(key_1 = 0);num=num - 1;if(key_2=0)delay(10);while(key_2=0);void DAC(unsigned char Data)/Start();Send(AddWr); / 写入芯片地址Ack();Send(0x40);/写入控制位,使能DAC 输出Ack();Send(Data);/写数据Ack();Stop();void led(int g,int a)/if(g=1)P0 = 0Xfe ;we
18、i = 1;wei = 0;P0 = tablea;duan = 1;delay(2);duan = 0;if(g=2)P0 = 0Xfd ;wei = 1;wei = 0;P0 = tablea|0x80;duan = 1;delay(2);duan = 0;if(g=3)P0 = 0Xfb ;wei = 1;wei = 0;P0 = tablea;duan = 1;delay(2);duan = 0;P0 = 0Xf7 ;wei = 1;wei = 0;P0 = 0x3e;duan = 1;duan = 0;void delay(unsigned char j)/unsigned int i;for(;j0;j-)for(i=0;i125;i+);#include #define AddWr 0x90/ 写数据地址#define AddRd 0x91/读数据地址sbit RST=P24;/ 关掉时钟芯片输出sbit Sda=P20;/定义总线连接端口sbit Scl=P21;/时钟信号void Start(void)/启动 IIC 总线Sda=1;_nop_();Scl=1;_nop_();Sda=0;_nop_();Scl=0;void Stop(void) / 停止 IIC 总线Sda=0;_nop_();Scl=1;_nop_()
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