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 MSP430F55 邸片机为控制核心。正向可以作为 BUC 降压电路为电池充电， 反向则可作为 BOO 例压电路放电， 经 A 取样后由单片机调整 PWM 输出，实现反馈控制。实验结果表明：当输入在 2436 标件下，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

2、M 向变换；MSP430F5525PWME 馈；恒流充电；同步整流目录1.方案论证 41.1.1 双向变换电路的论证与选择 41.2 控制方案的论证与选择 51.3 驱动方案的论证与选择 52.1 电路的设计 52.1.1系统总体框图 52.1.2电流检测子系统电路原理图 62.1.3驱动模块电路原理图 62.2 程序的设计 72.2.1程序功能描述 72.2.2程序流程图 73 .系统理论分析与计算 83.1 主电路的分析 83.1.1同步整流电路的分析 83.1.2同步整流电路参数计算 93.2 恒流充电方案的分析 94 .测试方案与测试结果 104.1 测试仪器 104.2 测试方案 1

3、04.3 测试结果及分析 115 .体会心得 116 .参考文献 11附录 1:电路原理图 12方案二：采用同步整流拓扑，如图 1-1-3。该方案采用两个 MOST 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 MOST 导通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1.方案论证双向 DC-DC 变换器（A 题）【本科组】1.1 双向变换电路的论证与选择方案一：采用 BUCKfBOOSTS 路分段组合，如图 1-1-1 用BUC 解压电路，为锂电池充电。当电池放电时，采

4、用电电压稳定在 30V。然而，由于该方案由多个电路组合，和 1-1-2。当给电池充电时，采BOOS 柘扑，实现升压，将放采样和控制比较复杂且效率低。L1图 1-1-1BUCK 电路图 1-1-2BOOST 电路24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

5、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 MO 第。该方案较为简单，但是用单片机驱动 G 极和 S极电压达不到 MOST 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， MOST导通速度会很慢，MOST 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 CMO 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2.1 电路的设计2

6、.1.1系统总体框图图 2-1-1系统总体框图电池组一*放电克申,MSP430F5525单片机PWM反馈AD采样2.1.2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-erfemOLTTLTN1VODHOHTMVBSD、UMNCvsaVCCNCCOMNCLOLO1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 PW 械经过 IR2110 驱动 MO,AD 采样并反馈

7、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1）主程序流程图2-2-2-1 主程序流程2）子程序流程图3.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，H0?口 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 BUCKOQ2 相当于 BUCK 路的续流二极管，U1 为输入，U2 为输出，C1 为输出电容。同理，从反向看过去，该电路等效于 BOO

8、SWU2 为输入电压，U1 为输出电压，C1 为 BOOSTS 路的输出电容。3.1.2同步整流电路参数计算1）电感值的计算：一一2一一一一UINUO-UINLB=2mlOfUO其中，m 是脉动电流与平均电流之比取为 0.25,开关频率 f=40kHz,输出电压为 36V时,LB=530aH,取 600HH。2）电感线径的计算：最大电流 IL取 2.5A,电流密度 J 取 4A/mmf,线径为 d,则由J*n（d）2=IL（公式 3-1-22）2得 d=0.892mm,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。3）电

9、容的参数计算其中，AUO为负载电压变化量，取 20mV,f=40kHz,Uo=36V 时,CB=1465NF,取为 2000NF,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 PWMS 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。（公式 3-1-21）CB%（UO-UIN）UofUO（公式 3-1-23）4.测

10、试方案与测试结果4.1 测试仪器VONTEK 可编程直流稳压电源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=30 惊件下，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 控制精度测试数据厅 P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/A136

11、2.062302.043242.033）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 4 所示。表 3 测量精度测试数据厅 P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 U 在 32V 到 38V 范围内变化时的 U,见表 5表 4 自动切换测试数据厅 P电压 U/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

12、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 30V0.1,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单片机原理及实用技术一一凌阳 16 位单片机原理及应用.雷思孝，李伯成，雷向丽.。西安：西安电