双向DC-DC变换器

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吕冈"2015年12月30日本设计主要由双向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。在本

2、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 XL4016 XL6019 STM32目 录一、系统方案 1.1、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 2.二、系统理论分析与计算 2.三、电路与程序设计 5.1、电路的设计5.（1 ）系统总体框图 5.2、程序的设计&（1 ）程序功能描述与设计思路 8（2 ）程序流程图9.3、程序流程图10四、测试仪器与数

3、据分析 10附录1 :电路原理图13附录2 :源程序1.5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DC-DC

4、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、测量控制方案和辅助电源的论证与选择由于瑞萨单片机开发套件

5、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

6、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T) :XLUIItiVHI :-.iir 小'(nt 1op2.2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 o 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YOCT-甜（1+R2, R1）CIXT 220uF/35V2.1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vrxl哼力"誓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 o 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。

8、内置过电流保护功EN 脚逻辑电平关断功能。典型应用电路如下Ll 47uH/5ADI WBRD1045COLT220uF/35VB(x)sr ConverterInput L2V ' 22V Output 24Y1. 5A¥0111=1* 2&*(1+«2, Rl)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（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 DC-DC变换电路等组 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 DC-DC电路，以及电压 电流的采集与控制。（2）降压

9、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

10、路设计。PWM控制环路可以调节占空比从090% 之间线性变化。内置过流保护功能与 EN脚逻辑电平关断功能。使用单片机控制 EN引 脚实现对升压模块开启与关断。(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）11电源为减小高频干扰，辅助电源使用220V到9V普通变压器

11、，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、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2、程序流程图屏帚、按键爭初始化充电模式充电樸式没有趙过2则缺电棋式四、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4

12、. 2测试数据与分析(1 )U2=30V条件下对电池恒流充电，电流11在1-2A变化过程中测量值如下表:按按12345678910键次数I1测10.991.011.061.071.101.121.141.161.17量值(A)设定I1=2A，使U2在24-36V范围内变化时，测量记录11的值。数据如下:U224252627282930313236(V)I1( A)1.991.981.981.991.971.981.991.962.011.99(3) 设定I1=2A，在U2=30V，测量U1 ,12，计算效率。数据如下：当I仁2A，U2=30V 时，测得I2=1.47A，U1=20V，由此计算效

13、率为 97%。(4) 放电模式下，保持U2=30V，计算效率，数据如下：当 U2=30V 时，I2=1.02A，U1=18.9V，I 仁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:电路原理图丁订|-i5NTi工0彳IKTTCTJ1<Xi丽丄)3=3电 llllfl X.*|*1|-UUT A E 削吐 - 屮 OCT B V- 祗4M1电工真&#

14、165;刨llfl nV , £“：；酣車上电L冀 fjJVhmjl穆配丰常miHff|HMll.Ti；. jE« iKM*福血事-n>r<rcciJ-i-irhjrFL26ftn¥C 优舉IT巧rs -|WI_叶彌1辭：VEE/DA输出/电压采样数据处理/数码管显示/输出采样电压1/DA输出控制附录2 :源程序#in clude<reg52.h>#in elude vintrin s.h>#in elude <I2c.h>un sig ned char ReadADC(u nsig ned char Chl); /AD采

15、样，有返回值void DAC(u nsig ned char Data); void delay (un sig ned char j);un sig ned int datpro(void);void led(i nt g,i nt a);void out_AD_led();void DA_out();sbit key_1 = P3A4;sbit key_2=卩3八5;sbit dua n=P2A6;sbit wei=P2A7;sbit in0 =卩3八2;un sig nedcharcodetable=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d ,0x07,0x7

16、f,0x6f,0x00;unsigned char num=102;/DA 数模输出变量初始值int mai n()while(1)DA_out();DAC( nu m);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un sig ned char Data;Start();/写入芯片地址Sen d(AddWr);Ack();S

17、e nd(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un sig ned int datpro(void)/un sig ned int dia ny ah,dia ny al;un sig ned int dia ny a=0;un sig ned char x;for(x=0;x<6;x+)dia nya=Read

18、ADC(1)+dia ny a;/输入通道选择通道dia ny a=dia ny a/6;dia ny ah=dia nya&O xfO;dia ny ah=dia nyah>>4;dia ny al=dia nya&O xOf;dia nya=dia nyal*20+dia nyah*310;return(dia ny a);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);num=num + 1;void DA

19、C( un sig ned char Data)/Start();Se nd(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(i nt g,i nt a)/if(g=1)P0 = 0Xfe ;wei = 1;wei = 0;P0 = tablea;dua n = 1;delay(2);dua n = 0;if(g=2)P0 = 0Xfd ;wei = 1;wei = 0;P0 = tablea|0x80;dua n = 1;delay(2);dua n = 0;

20、if(g=3)P0 = 0Xfb ;wei = 1;wei = 0;P0 = tablea;dua n = 1;delay(2);dua n = 0;P0 = 0Xf7 ;wei = 1;wei = 0;P0 = 0x3e;dua n = 1;dua n = 0;void delay (un sig ned char j)/un sig ned int i;for(;j>0;j-)for(i=0;i<125;i+);#in clude vintrin s.h>/写数据地址/读数据地址#defi ne AddWr 0x90#defi ne AddRd 0x91sbit RST=P2A4;/关掉时钟芯片输出/启动IIC总线停止IIC总线sbit Sda=P29/定义总线连接端口sbit Scl=P2A1;/ 时钟信号void Start(void)Sda=1;_nop_();Scl=1;_nop_();Sda=0;_nop_();Scl=0;void Stop(void) /Sda=0;_nop_();Scl=