2015年全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告

2013 年全国大学生电子设计竞赛 双向双向 DC DC 变换器 变换器 A 题 题 2015 年年 8 月月 12 日日 I 摘摘 要要 本系统以 Buck 和 Boost 并联 实现双向 DC DC 交换 以 STM32 为核心 控制芯片 Buck 降压模块使用 XL4016 开关降压型转换芯片 通过单片机闭环 实现恒流输出控制 放电回路选择 Boost 升压模块 以 UC3843 作为 PWM 控 制器 组成电压负反馈系统 通过调整 PWM 的占空比 实现稳压输出 系统 能自动检测外部电源电压变化 在负载端电源较高时自动切换成充电模式 反 之切换为放电状态 系统具有过流 过压保护功能 并可对输出电压 电流进 行测量和显示 关键字 DC DC 交换 Buck Boost PWM 控制 Abstract The system is Buck and Boost parallel to achieve two way DC DC exchange STM32 as the core control chip The Buck Buck module uses the XL4016 switch Buck converter chip takes the current signal in the output controls the feedback of XL4016 completes the closed loop control and realizes the constant current output Boost boost module uses UC3843 as the PWM control chip according to the output voltage negative feedback signal to adjust the PWM signal the closed loop control is carried out in order to achieve the regulator output System can automatically switch charge and discharge mode can also be manually switch The system has the function of over current and over voltage protection and can measure and display the output voltage and current Key words bidirectional DC DC converter Buck boost PWM control II 目目 录录 1 系统方案 1 1 1 升 降压电路的论证与选择 1 1 2 系统组成及控制方法 1 2 系统理论分析与计算 2 2 1 电路设计与分析 2 2 1 1 提高效率的方法 2 2 1 2 控制回路分析 2 2 2 控制方法分析 2 2 3 升压 降压电路参数计算 3 2 3 1 元件选取 3 2 3 2 电感计算 3 3 电路与程序设计 4 3 1 电路的设计 4 3 1 1 系统总体框图 4 3 1 2 充电系统原理 4 3 1 3 放电系统原理 5 3 2 程序的设计 5 3 2 1 程序功能描述与设计思路 5 3 2 2 程序流程图 5 4 测试方案与测试结果 6 4 1 测试方案 6 4 2 测试条件与仪器 7 4 3 测试结果及分析 7 4 3 1 测试结果 数据 7 4 3 2 测试分析与结论 7 附录 1 电路原理及实物 8 附录 2 主要程序片段 9 1 双向双向 DC DC 变换器 变换器 A 题 题 本科组本科组 1 系统方案系统方案 系统要求效率 所以恒压输出 稳流输出都应采用开关电路 鉴于本题目要求的 功能 系统主要由恒压控制模块 恒流控制模块组成 另为了灵活调整输出参数并实 时监控系统工作状态 运用单片机控制技术 还有支持系统控制系统工作的辅助电源 1 1 升 降压电路的论证与选择升 降压电路的论证与选择 方案一 采用线性电源电路 线性控制电路控制简洁 输出波形指标良好 电路 简单 但缺点是效率极低 在当前的大功率电源应用场合已被淘汰 因题目对效率的 要求 这里不能采用线性电源 方案二 正激 反激变换器 电源调整管工作在开关状态 优化调整后其效率远 高于线性电源 且有可以有灵活的参数设计满足不同的需求 有大量产品级方案可供 借鉴 实现起来难度不大 方案三 当前流行的开关电源大多基于 Buck Boost 基本电路拓扑结构或他们的 结合 在对题目进行仔细分析后 系统需求的尽是升压和降压 在 Buck Boost 基础 上附加反馈控制就可完成任务 这样还可以省略繁杂的变压器参数设计 因电路简洁 实现起来更加容易 并且因为使用较少的常规元件 节省成本提高可靠性 符合产品 设计的思路 综合以上分析 选择方案三 1 2 系统组成及控制方法系统组成及控制方法 方案一 系统由 Buck Boost 模块实现升压 降压任务 各模块所需 PWM 信号 的由单片机提供 单片机 AD 采集实时输出量 经运算后通过改变占空比调整模块工 作状态 该方案电路最简单 各种控制灵活 缺点有单片机运算量过大 开关信号占 空比受单片机限制 浮点运算的时延影响电路跟随 另外单片机容易受到功率管开关 干扰而失灵 方案二 使用振荡器 比较器产生 PWM 波 由负反馈电路实现输出控制 单片 机负责状态切换和测量显示 该方案原理易于理解 但自己装调的 PWM 电路在开关 时容易出现振铃毛刺 直接影响了系统效率 并且要完善反馈控制对回馈信号要求较 高 方案三 借用现有成熟 PWM 控制器 该类集成电路输出波形好 工作稳定 都 具备至少一个反馈控制引脚 按照厂商提供的典型电路就可装调出应用电路 但这类 电路一般针对专用场合设计 借用时需要较多设计计算 特别是该类芯片的反馈有极 2 高的控制灵敏度 在单片机参与时需要较多改动 为提高系统性能选择方案三 降压回路使用 XL4016 升压回路以 UC3843 为核心 控制单片机使用 STM32 有很高的工作速度 丰富的外围资源 可以很好地完成系统 控制任务 2 系统理论分析与计算系统理论分析与计算 2 1 电路设计与分析电路设计与分析 2 1 1 提高效率的方法提高效率的方法 在电路的设计过程中 找到了影响系统效率的主要因素有三点 功率变换器开关 器件的开关损耗 感性元件的铁损和铜损 控制电路的损耗 所以提高系统效率 我们可以从这三方面出发 1 开关器件的损耗不可避免 但是可以采用低功耗的开关管和二极管 采用 MOS 管做为开关管 IRF540 型 MOS 管开关损耗小 其只在导通期间由开关损耗 适 合频率比较高的工作场合 采用肖特基二极管做为续流二极管 耐压高 损耗小 如 此选择器件可以降低开关器件的损耗 提高系统效率 2 通过理论和实践验证 电感越大 纹波电流越小 电感损耗越大 所以在满足 要求的条件下减小电感 并且严格按照要求绕制电感 减小磁隙 线圈紧凑等 3 在焊接时合理安排布局 减少开关信号走线的连接 可以在布局布线上减小损 耗 2 1 2 控制回路分析控制回路分析 1 恒流输出 在输出端检测采样电阻的电压 因为信号很小 经过 20 倍放大送至 单片机 单片机将处理结果 经误差放大器送至 XL4016 的反馈端 FB FB 与内部 1 25V 基准电压比较 控制 PWM 信号 进而达到控制输出电流 经过闭环负反馈系统 控制 可以使输出电流恒定 起到了过流保护作用 2 自动切换 由单片机采集 30 欧负载两端电压 当电压低于 30V 时 系统工作在 放电模式 当电压高于 30V 时 系统工作在充电模式 此外 还可以手动切换工作模 式 3 液晶显示 使用 12864 液晶屏 显示电池组的充电电流和充电电压 充电电压 是采集 XL4016 输出端的电压 当电压大于 24V 时 断开充电模式 充电电流同 XL4016 反馈的电流信号 在单片机内部换算并显示 2 2 控制方法分析控制方法分析 UC3843 是高性能固定频率电流模式控制器 电压负反馈均衡控制 每周期由斜 波电流峰值关断 UC3843 的振荡频率由 RT CT 引脚接的电阻电容决定 系统的开关 频率为 f 1 8 RT CT 60KHz PWM 以 60 KHz 的频率控制开关管的导通截止 电 感 L 储存并释放能量 PWM 的占空比越大 开关管的导通时间越长 电感存储的能量 3 越大 相反电感存储的能量越小 稳压过程有两个闭环系统来控制 分别是恒压输出和过流保护 恒压输出 在输出端通过电阻分压采集比例电压信号 经电压误差比较器后平滑 滤波 积分器的电容大小影响系统的调节速度 即影响指标中输出的动态响应时间 当采集的电压小于内部 2 5V 基准电压 使 PWM 调节器的输出脉宽增加 从而影响输 出电压调节幅度 2 3 升压 降压电路参数计算升压 降压电路参数计算 2 3 1 元件选取元件选取 1 MOS 管的选取 根据主电路中的工作电压及电流 结合 MOS 管的耐压 耐流及损耗性能 电力 晶体管耐压高 且开关损耗大 适合工作频率比较低的场合 电力场效应管耐压比较 低 但是开关损耗小 适合频率比较高的工作场合 根据这里的情况 我们选用了 考虑到实际电压电流尖峰和冲击 电压电流耐量分别取 2 5 和 2 倍裕量 即应选取耐压 高于 40V 最大电流 33A 实际选用 IRF540 型 MOS 管 2 二极管的选取 为降低续流二极管的导通压降 减少功率损耗 提高效率 选用肖特基二极管作 为续流二极管 根据主回路中的工作电压及电流 结合肖特基二极管的耐压 耐流及 损耗性能 选用 IN4746 耐压 40V 最大电流为 30A 2 3 2 电感计算电感计算 1 CCM 工作模式下 MOS 开关管占空比 D 的计算 0 5 20 10 20 U U U D I IO 2 当输出最大负载时若要使电流连续 则 H fI DDUU Si 56 10821 5 05 09 010212 L 3 0 为开关导通时的压降和电流取样电阻上的压降之和 取 06 0 9V S U 设电感纹波电流为平均电流的 30 即 AII CCMLL 6 03 0 所以电感值 H fI DU L Si 92 10826 0 5 09 001U L 3 电感的设计包括磁芯材料 尺寸选择及绕组匝数计算 线径选用等 电路工作时 重要的是避免电感饱和 温升过高 磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大 4 材质好的磁芯如环形铁粉磁芯 承受峰值电流能力较强 EMI 低 而选用线径大的导 线绕制电感 能有效降低电感的温升 3 电路与程序设计电路与程序设计 3 1 电路的设计电路的设计 3 1 1 系统总体框图系统总体框图 系统总体框图如图 1 所示 主要包括 DC DC 降压充电模块 DC DC 升压放电模 块 MCU 控制模块 显示单元 转换开关 稳压电源 电池组七部分组成 本系统可 实现手动和自动充放电模式选择 图 1 系统总体框图 工作原理 转换开关调整为充电模式 直流稳压电源输出大于 30V 电压 经降压 模块以小于 24V 电压 2A 恒定电流为电池组充电 当转换开关调整为放电模式时 电 池组输出电压经 UC3843 升压模块达到 30V 为负载供电 3 1 2 充电系统原理充电系统原理 充电系统那个框图如图 2 所示 图 2 充电系统框图 采用 XL4016 做 Buck 调整 FB 脚接电流负反馈 由 0 05 电阻将电流信号转变为 Buck 调整器 PWM 控制器 MCU 控制误差比较放大器 VinVout 采样 电阻 DC DC 降压 充电模块 DC DC 升压 放电模块 MCU 控制 电 池 组 直 流 稳 压 电 源 转换 开关 转换 开关 显示 5 电压信号 并放大 20 倍 这时就将电流的误差也放大 使误差判断器更准确的判断误 差 单片机采集放大后的电流信号并给出基准电压 误差放大器判断将结果送入 FB 端 控制输出电压的变化 从而达到控制电流 3 1 3 放电系统原理放电系统原理 放电模式时 电池作为电源通过变换器提供高压侧负载能量 输出恒定 30V 电压 到负载 因为要求恒压输出 所以引入电压负反馈 反馈回的电压信号接到 UC3843 电压反馈端 与内部基准电压比较 控制 PWM 波脉宽 因此达到控制输出电压的目 的 开关管PWM 驱动 采 样 电 阻 V1 Vo 电 池 组 负 载 图 3 放电系统框图 PWM 控制开关管导通 电感以 v L 速度充电 把能量储存在 L 中 当开关管截止 时 L 产生反向感应电压 通过二极管 D 把储存的电能以 U Vo L 的速度释放到 输出电容器 Cs 中 输出电压由传递的能量控制 传递的能量通过电感电流的峰值控制 开关信号的频率为 60KHz 可以达到稳定输出 30V 电压 单片机采集负载电压 判断如果电压小于 30V 则转换充电模式 否则为返点模式 因此到到自动切换目的 3 2 程序的设计程序的设计 3 2 1 程序功能描述与设计思路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主要实现 AD 采集 键盘设置和显示 1 AD 采集 恒流充电电流采样 过压保护电压采样 自动切换电压采样 1 键盘实现功能 步进调节充电电流 2 显示部分 显示充电电流 输出电压 2 程序设计思路 单片机上电后 实时采集充电电流 在单片机内部进行运算 通过液晶屏显示 充电时单片机采集到电池充电电压 判断如果电压大于 24V 则单片机控制开关断开 停止充电 放电时 单片机采集负载两端电压 判断电压是否大于 30V 如果大于则 系统切换为充电模式 否则为放电模式 6 3 2 2 程序流程图程序流程图 主程序流程图如图所示 自动切换子流程图如图所示 开始 系统初始化 3 路 AD 采 集 数据运算 调制充电 PWM 模式切换 显示 N N Y Y 切换到充电 电压采样 放电电压 24V 切换到放电 图 4 主程序流程图 图 5 自动切换程序流程图 4 测试方案与测试结果测试方案与测试结果 4 1 测试方案测试方案 1 硬件测试 电流变化率测试 设定充电电流为 2A 当 U2 36V 时 测量充电电流值 I11 U2 30V 时 充电电流值 I1 U2 24V 时 充电电流 I12 则电流变化的调整率 SI1 100 0 01 I I I 2 电路效率测量 DC DC 变换器效率 100 P P 2 1 1 100 P P 2 1 2 3 过流保护测试 在电池组上串入滑线变阻器 时充电电压增加 判断是否能 在 24V 时停止充电 2 软件仿真测试 7 利用 proteus 画出电路仿真图 进行电路的各项性能测试 3 硬件软件联调 软件仿真结果与实测值进行比较 分析差异原因 找出改进方案 4 2 测试条件与仪器测试条件与仪器 测试条件 多次检查仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同 并且检查 无误 硬件电路保证无虚焊 测试仪器 直流稳压电源 信号源 模拟示波器 数字示波器 数字万用表 指 针式万用表 4 3 测试结果及分析测试结果及分析 4 3 1 测试结果测试结果 数据数据 1 U2 30V 条件下 实现对电池恒流充电 充电电流 I1 在 1 2A 范围内步进可调 步进值不大于 0 1A 电流控制精度不低于 5 测量结果如表 1 表 1 电流步进精度测试 单位 A 设定值11 11 21 31 41 51 61 71 81 92 实际值1 031 081 221 281 451 511 641 761 841 921 98 精度 31 81 62 33 50 62 53 52 21 1 2 测量并显示充电电流 I1 在 I1 1 2A 范围内测量精度不低于 2 结果如表 2 表 2 充电电流显示测量 单位 A 测量值11 21 41 51 61 71 81 92 显示值1 001 211 401 511 621 691 811 902 00 误差 00 0800 061 230 590 5500 3 具有过充保护功能 设定I1 2A 当U1超过阈值U1th 24 0 5V时 停止充电 测试结 果如下表3 表3 过保护功能测试 充电电压 V状态 23充电 24 1断开 4 电池放电时 输出稳压性能测试 结果如表 4 所示 表 4 放电稳压测试 电池 V 17 5181920212223 放电 V 29 730 0630 1830 1930 2130 2330 24 4 3 2 测试分析与结论测试分析与结论 根据上述测试数据 可以得出以下结论 1 在充电模式下 电流步进值不大于 0 1A 误差精度小于 5 2 具有良好的变化率和控制精度 3 具有过程保护功能和较高的变换器效率 4 放电模式时 30V 稳压性能好 可以自动切换 8 综上所述 本设计达到设计要求 9 附录附录 1 电路原理及实物 电路原理及实物 220uf C5 105 C6 1u C1 GND1 FB 2 SW 3 VC 4 VIN 5 U1 XL4016 47UH L1 R8 0 05 D1 D Zener VCC 223 C4 D2 亮亮亮 18K R2 10K R6 5V 200K R7 C10 101 亮亮 C14 471 C13 202 C9 103 2 1 3 Q1 MOSFET N 90uH L2 COMP 1 VFB 2 ISENSE 3 RT CT 4 GND 5 OUTPUT 6 VCC 7 Vref 8 U2 UC3843 470uF C11 50v 104 C12 Cap 亮亮 1K VR1 RPot R5 330 2 9V GND GND 9V 1 P1 SIP1 1 P2 SIP1 R1 330 R4 330 1 2 P3 亮亮 R18 330 R21 330 GND 5V 100pF C2 100pF C3 100pF C7 GND 100pF C8 GND GND 9V GND 9V VCC GND 5V GND 0 R16 0 R13 0 R14 0 R11 0 R12 0 R9 0 R10 1K8 R3 亮亮10亮 I GND PWR GND ADC I DAC ADC BAT ADC PWR GND 5V GND 9V DAC GND BAT GND EN GND 1 2 3 48 IC1A LM358 7 5 6 IC1B LM358 D3 D Zener 1K VR2 150K R17 4 7K R15 1K R20 1K R23 15K R22 10 R19 0 3 R24 1 2 P4 亮亮亮亮亮 GND 1 VCC 2 VR 3 RS 4 R W 5 E 6 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 PSB 15 NC 16 RST 17 VOUT 18 LED A 19 LED K 20 LCD1 LCD 12864 S1 SW PB S2 SW PB S3 SW PB S4 SW PB LCD CS LCD SID LCD CLK K2 K3 K4 K1 5V 5V GND GND GND OUT 1 GND 2 SCL 3 SDA 4 VCC 5 GND 6 Mod1 Module PB10 PB11 DAC DAC GND 3V3 C15 104 GND C16 104 IN 1 2 OUT 3 GND IC2 LM7809 GND 1 2 P5 DC12V GND 9V IN 1 2 OUT 3 GND IC3 MC78MO5CT GND C17 2200uF 25v C19 104 C18 2200uF 25v C22 2200uF 25v C20 104 C24 104 5V C21 2200uF 25v C23 104 10mH L3 Inductor GND GND GND GND GND GND 10mH L4 Inductor LCD CS LCD SID LCD CLK VBAT 1 PC13 2 PC14 3 PC15 4 PA0 5 PA1 6 PA2 7 PA3 8 PA4 9 PA5 10 PA6 11 PA7 12 PB0 13 PB1 14 PB10 15 PB11 16 RST 17 5V 18 GND 19 GND 20 PB12 21 PB13 22 PB14 23 PB15 24 PA8 25 PA9 26 PA10 27 PA11 28 PA12 29 PA15 30 PB3 31 PB4 32 PB5 33 PB6 34 PB7 35 PB8 36 PB9 37 GND 38 3V3 39 3V3 40 Mod2 Module K2 K3 K4 K1 5V GND 3V3 ADC BAT ADC PWR ADC I GND PB10 PB11 XL4016 EN UC2843 EN 10 附录附录 2 主要程序片段 主要程序片段 系统主程序 main void uchar temp 4 ulint PidTemp 0 SYS Clock Init 9 Delay Init 72 SYS JTAG Set 0 x01 ADC GPIO Init ADC Init DMA Init ADC Start DMA Enable DAC Init TIM2 Init PID init XL 6009 Init Delay mS 500 Delay mS 500 LCD GPIO Init LCD Init KEY GpioInit KEY Init mode chongdian updatdisp chongdian shezhi updat Dac while 1 KEY Task KEY App if Flag 1mS DMA Get AD Avg Flag 1mS 0 guoyabaohu