DC-DC双向变换器

1、2015年全国大学生电子设计竞赛 DC-DC双向变换器（A题） 完成人：石永健（ 电子三班 201340602081） 2015年8月14摘 要 本系统以同步整流升降压电路为主，采用MSP430F5525单片机为控制核心。正向可以作为BUCK降压电路为电池充电，反向则可作为BOOST升压电路放电，经AD采样后由单片机调整PWM波输出，实现反馈控制。实验结果表明：当输入在2436V条件下，充电时，充电恒流值十分稳定，电流控制精度为0.5%，充电电流变化率不大于0.5%，效率可高达96%。充电时，变换器效率高达97%。此外本系统还有充电电流显示，过充保护，自动切换等功能。关键词：DC-DC双向变换

2、；MSP430F5525；PWM反馈；恒流充电；同步整流13目录1. 方案论证311双向变换电路的论证与选择31.2控制方案的论证与选择41.3驱动方案的论证与选择421电路的设计42.1.1系统总体框图42.1.2 电流检测子系统电路原理图52.1.3 驱动模块电路原理图52.2程序的设计62.2.1 程序功能描述62.2.2 程序流程图63. 系统理论分析与计算73.1主电路的分析73.1.1同步整流电路的分析73.1.2同步整流电路参数计算83.2恒流充电方案的分析84. 测试方案与测试结果94.1测试仪器94.2测试方案94.3测试结果及分析105体会心得106参考文献10附录1：电路

3、原理图11 双向DC-DC变换器（A题）【本科组】1. 方案论证11双向变换电路的论证与选择方案一：采用BUCK与BOOST电路分段组合，如图1-1-1和1-1-2。当给电池充电时，采用BUCK降压电路，为锂电池充电。当电池放电时，采用BOOST拓扑，实现升压，将放电电压稳定在30V。然而，由于该方案由多个电路组合，采样和控制比较复杂且效率低。 图1-1-1 BUCK电路 图 1-1-2 BOOST电路方案二：采用同步整流拓扑，如图1-1-3。该方案采用两个MOS管交替导通，从正向看过去，该电路为降压电路，从反向看过去，该电路为升压电路。因此，该拓扑无需切换电路即可实现充放电。由于MOS管导通

4、电阻远小于二极管导通电阻，所以该拓扑效率可以达到很高。 图1-1-3同步整流电路基本拓扑电路综合以上两种方案，选择方案二。1.2控制方案的论证与选择方案一 利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但就本题而言，不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。方案二 利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。综合以上两种方案，选择方案二。1.3驱动方案的论证与选择方案一：采用单片机I/0输出直接驱动MOS管。该方案较为简单，但是用单片机驱动G极和S

5、极电压达不到MOS管最低导通电压，并且单片机只有最高只有5V电平，用单片机驱动，MOS管导通速度会很慢，MOS管损耗大，造成效率降低。方案二：采用专用的H桥驱动IR2110。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，输出的电源端电压范围1020V,完全可以满足需求。综合以上两种方案，选择方案二。2. 电路与程序设计21电路的设计2.1.1系统总体框图电池组直流稳压源显示按键MSP430F5525单片机DC-DC双向转换电路过充保护电路负载 放电 放电 充电 充电PWM反馈AD采样 图2-1-1 系统总体框图2.1

6、.2 电流检测子系统电路原理图电流检测子系统电路如2-1-2，充电电流通过康铜丝电阻采样，经过INA282放大后，送入TLC2543采样，送入单片机处理。图2-1-2 电流检测子系统电路2.1.3 驱动模块电路原理图 驱动子系统电路如图2-1-3图2-1-3 驱动电路2.2程序的设计2.2.1 程序功能描述1)产生PWM波经过IR2110驱动MOS管，AD采样并反馈2)键盘实现功能：选择充放电模式，电流步进。3)显示部分：显示充电电流，放电电压，工作模式。2.2.2 程序流程图自动切换模式模式选择放电模式初始化按键输入充电模式开始状态显示结束1）主程序流程图 2-2-2-1主程序流程2）子程序

7、流程图设定电流预值充电模式是否过充产生PWM波放电模式产生PWM波监测U2自动切换模式产生PWM波监测U2U2是否大于30V调整PWM波监测I1放电模式充电模式调整PWM波结束YN 图2-2-2-2子程序流程1 图2-2-2-3 子程序流程2 图2-2-2-4子程序流程33. 系统理论分析与计算3.1主电路的分析 3.1.1同步整流电路的分析 主电路如图3-1-1所示，HO和LO是驱动芯片输出信号，为频率相同相位相反的PWM信号。从正向看，由于Q1和Q2导通的时间相反，即Q1导通Q2关闭，Q2导通，Q1关闭，所以该电路等效于一个BUCK电路，Q2相当于BUCK电路的续流二极管，U1为输入，U2

8、为输出，C1为输出电容。同理，从反向看过去，该电路等效于BOOST电路，U2为输入电压，U1为输出电压，C1为BOOST电路的输出电容。 图 3-1-1主电路3.1.2同步整流电路参数计算1）电感值的计算： （公式3-1-21）其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=40 kHz,输出电压为36V时，LB=530H，取600H。2）电感线径的计算：最大电流IL取2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由 （公式3-1-22 ）得d=0.892 mm,工作频率为40kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。

9、3）电容的参数计算 （公式3-1-23）其中，UO为负载电压变化量，取20 mV ，f=40kHz,UO=36V时,CB=1465F,取为2000F，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。3.2恒流充电方案的分析 由于随着充电的进行，电池的电压逐渐升高，所以，要想保持恒流充电，需要不断提高充电电源，从而保证电流不变。本设计通过串联康铜丝电阻，采集康铜丝上的电压，反馈回单片机通过PI算法调节PWM波的占空比，从而保证流过康铜丝上的电流恒定，进而实现了恒流充电。4. 测试方案与测试结果4.1测试仪器VONTEK可编程直流稳压电源

10、安捷伦五位半数字万用表滑动变阻器最大承重5KG电子称4.2测试方案1)电流控制精度测试保持其他条件不变，在U2=30V条件下，测量充电电流在1A到2A范围步进的输出电流。测试三次，如表1所示。表1 控制精度测试数据序号设定值I10/A实际电流I1/A11.001.0121.201.2031.401.412)电流变化率测试保持其他条件不变，设定电流I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，测量U22436V变化时的充电电流，如表2所示。表2 电流变化率测试数据序号电压U2/V充电电流I/A1362.062302.043242.033) 测量精度测试改变充电电流，记录实际电流和显示电流。测试五次，如表

11、4所示。表3 测量精度测试数据序号实际电流I1/A显示电流I2/A11.101.1121.501.4831.901.894）自动切换功能测试调整直流稳压电源输出电压，测量Us在32V到38V范围内变化时的U2，见表5表4 自动切换测试数据序号电压Us/V电压U2/V13230.0323430.0533830.055）重量测试重量=408g。4.3测试结果及分析经过计算分析得：实验结果表明：当输入在2436V条件下对电池实现恒流充电，充电电流在1到2A范围内步进可调，步进值为0.05，电流控制精度高达0.5%，当输入为24到36V变化时，充电电流变化率不大于0.5%。充电时，变换器效率高达97%，实现了充电电流显示，过充保护等功能。并且变换器具有恒压放电功能，可自动切换工作模式，保持变换器一侧电压为30V ±0.1，重量低于500g综上所述，本设计得基本要求和发挥部分的设计要求全部达到。5体会心得这次比赛比的不仅仅是我们的动手能力、编程能力、更比的是我们的创新能力、团队合作力，还有最重要的是毅力，不放弃。比赛过程中，遇到了很多困难，但在较上作品的瞬间就深知，收获最多的不是结果，而是解决问题的过程。经过这四天三夜的奋斗，我们三个人都坚信，这次比赛没有任何遗憾。6参考文献1 电子技术基础 模拟部分 （第四版） 康华光主编。 北京：高等教育出版社 2000 年 1 月2 单片