2015报告初稿.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC变换器（A题） 【本科组】2015年8月15日摘 要 双向DC/DC变换器因其电路拓扑简单、能量转换效率高等优点，被广泛应用于电动汽车、不间断电源系统、太阳能发电系统、航空电源系统等领域。本系统以双向半桥（两象限）DC/DC电路为主电路，以DSPIC30F2020单片机为主控制器，实现了双向DC/DC变换器。通过按键来设定充放电模式，通过对输出电流和输出电压进行采样，利用闭环控制策略使得充电模式下恒流输出，放电模式下恒压输出，并且能够实时显示输出电压和电流的大小。根据反馈信号，通过闭环控制，对PWM信号作相应调整，从而实现了稳压输出。系统输出直流电流1A2A 可调，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到2A，DC-DC变换器的效率达到96%，同时通过单片机实现了输入电压、输出电压和输出电流的实时显示。关键词：双向DC/DC变换器；恒流充电；恒压输出；DSPIC30F2020；步进调整 目 录1系统方案比较与论证11.1双向DC-DC变换器主电路的方案选择11.2控制系统的论证与选择11.3辅助电源模块论证与选择11.4提高效率的方法及实现方案22.系统硬件电路设计22.1系统整体框架图22.2 系统主电路设计22.3 系统控制电路设计32.4 辅助电源电路43.系统软件设计43.1 软件设计框架43.2系统程序流程图44.系统测试及结果分析54.1测试使用的仪器54.2测试数据分析与设计指标的比较8附录1 系统整体电路原理图9附录2主要程序代码10附录3 PCB及实物图.111系统方案比较与论证1.1双向DC-DC变换器主电路的方案选择 方案一：隔离型双向DC/DC变换器有：反激式双向DC/DC变换器，正激式双向DC/DC变换器，双向半桥DC/DC变换器，双向推挽DC/DC变换器，双向全桥DC/DC变换器等。以上的变换器拓扑均用到变压器进行隔离，因而在实际的电路运行过程中将有部分能量消耗在隔离变压器等磁性元器件中，大大降低了电路的整体效率。 方案二：非隔离型双向DC/DC变换器有：Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk等，这类变换器能实现电流的双向流动，不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器工作在第I和第II象限。此类变换器中没有用到变压器进行隔离，降低了电路损耗，大大提高了能量转换效率，而且电路拓扑也相对较简单。 综合比较本系统采用方案二中的半桥型DC/DC变换器。1.2控制系统的论证与选择 方案一：利用51单片机作为主控芯片，实现电压电流检测以及按键设定，并且通过软件算法产生PWM信号来驱动开关管的通断，从而控制输出电压电流的变化。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出互补的PWM驱动信号，而且运行速度以及测量精度均比较低。方案二：以Microchip公司推出的DSPIC30F2020芯片为核心,该单片机具有较强的数据计算能力和数据吞吐能力。由于它具有的DSP运算功能，同时具有单片机的体积小和价格低廉的特点，且该单片机系统内置晶振，外围电路少，运行起来快速稳定，给本系统设计带来了很大的方便。 综合比较本系统采用方案二中的DSPIC30F2020。1.3辅助电源模块论证与选择方案一：采用三端稳压集成的7815、7812、7805、lm1117分别得到15V、12V、5V和3.3V的稳定电压。利用该方法方便简单,但带负载能力较弱，且稳压管容易发热，增加了电路的整体功耗。方案二：运用LM2596S-ADJ，LM2596S-5V,AMS1117和集成隔离电压转换器1A0512S-1W分别得到15V,5V,3,3V和12V的稳定电压，带载能力较强。在这里我们选择方案二。1.4提高效率的方法及实现方案 主电路中开关管的选取：电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。 选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为50kHz。 控制电路及保护电路的措施：控制电路采取超低功耗单片机DSPIC30F2020，其具有运算速度快、外围电路简单的特点；显示采取小体积OLED；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，具体实现见附录图2，单片机由低功耗稳压芯片LM1117单独供电。2.系统硬件电路设计2.1系统整体框架图系统整体包括电池组，辅助电源，测控电路，双向DC-DC变换电路和直流稳压模块等几个主要组成部分，系统整体框架图如图2-1所示。 图2-1 系统整体结构图2.2 系统主电路设计主电路包括Buck降压电路和Boost升压基本电路，如图2-2所示 图2-2 双向DC-DC变换电路 该电路运用两个隔离光耦分别驱动一个桥背上的上下两个功率开关管，当电路工作在充电模式下，单片机对上面的开关管进行通断控制，使得电路工作于BUCK降压状态，外接直流稳压电源对电池组充电。当电路工作在放电模式下，单片机对下面的开关管进行通断控制，使得电路工作于BOOST升压状态，电池组对外接电阻负载供电。2.3 系统控制电路设计本次设计用DSPIC30F2020单片机作为主控芯片，通过外接键盘和OLED显示电路来实现充放电工作模式的切换和输入输出电压电流的显示，通过采样电路对输入输出电压电流进行采样，并通过单片机的A/D转换功能运用闭环控制策略实现恒流充电和稳压放电。系统控制电路如图2-3所示。 图2-3 系统控制电路 2.4 辅助电源电路本系统通过直流稳压电源供电，采用LM2596S-ADJ、LM2596S-5.0、AMS1117和Otte1A0512S分别得到+15V、5、隔离的12V和3.3V稳定电压。设计电路如图2-4所示。 图2-4 辅助电源电路3.系统软件设计3.1 软件设计框架本程序设计主要通过键盘切换电路的工作模式，并且在充电模式下可步进的设定充电电流，通过电流电压采样和A/D转换，利用增量式PID算法控制PWM的占空比，实现恒流输出和稳定电压输出，并且为了减少干扰，软件采用同步采样的方法，即在PWM上升沿后2微秒，再去采样，这样就可以避免采样到毛刺，进行错误的判断，导致输出电压电流不稳，再根据一些其它的反馈采样值进行调整，保证系统可以安全可靠稳定的工作。3.2系统程序流程图系统程序流程图如图3-1所示。 图3-1 系统程序流程图4.系统测试及结果分析4.1测试使用的仪器 测试使用的仪器设备如表4.1所示。表4.1 测试使用的仪器设备序 号名称、型号、规格数量备注1五位半万用表UT805A1美国福禄克公司2直流稳压电源1上海松特电器有限公司3DS5102CA示波器1北京普源精电科技有限公司4.2测试数据分析与设计指标的比较 我们对所设计的DC/DC变换器进行了较为全面的测试，并对主要设计指标进行了比较，列出的主要结果参数如表4.2所示。表4.2测试数据与设计指标的比较测试项目基本要求发挥要求电路测试结果U2=30V条件下，对电池恒流充电充电电流I1在12A内步进可调，步进值不大于0.1A电流控制精度5%实现充电电流I1=2A时，调节U2在2436V变化时充电电流I1变化率不大于1实现在I1=2A、U2=30V时条件下，变换器效率90实现测量精度测量并显示充电电流I1,I1在1-2A范围条件下，变压器的效率大于90%实现充电电流I1在I1=1-2A范围内测量精度不低于2%实现过充保护动作电压240.5V实现放电模式放电模式，保持U2=30V,0.5V,变换器效率大于95%实现动作电压与工作模式Us在32-38V范围内变化时，双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=30V0.5V实现重量总重量小于500g实现其他该系统采用PCB布局，不仅有利于信号走线，而且非常美观（见附录三）实现 本设计基本实现了基本部分和发挥部分的所有指标，但由于时间仓促，仍存在如整体体积较大等问题。附录1 系统整体电路原理图附录2主要程序代码#include declare.hint DCParameterVA,DCParameterVB,DCReference,DCTest,DCVolEk2;long DCVolOutputTemp;Uint DCVolOutput;Uint AdcCount,Clk1,ClkKey;Uchar AdjustFlag,FlagProtect,ProtectCount,WDICount,WorkMode;Uint PulseWideMin,PulseWideMax;Uint test1,test2,test3,ADSTATTemp;Uint DCCurrent,DCVoltage,DCCurrentSet,DCVoltageSet,InputVoltage;Uchar ReceiveFlag,ReceiveCount,FI30,FO30,SendCount,SendCountMax;Uchar DCProtectState;int main (void)init();LATBbits.LATB6=1;PwmStart();while(1) PowerControl(); TimeControl(); DealKey(); #include declare.h/*void DealData(void) if(ReceiveFlag=ReceiveSetting) Decode();ReceiveFlag=ReceiveSetting+1; /*Uchar VerifyData(void)Uchar Temp,Sum=0,i;Temp=FI2; if(Temp29) Temp=29; for(i=0;iTemp;i+) Sum+=FIi; return(!Sum);/*void Decode(void) if(VerifyData() switch(FI4) case MIReadParameter:WriteParameter(); if(FI3=SlaveBoardNumber) ReadData(); break; case MIWriteAll :WriteParameter();break; case MIControlAll :WorkState=FI5;break; FlagCommunicateError=0; /*void WriteParameter(void) Uchar i; i = 5; WorkState=FIi+; WorkMode=FIi+; VolReference=FIi+; VolReference*=0x100; VolReference+=FIi+; CurReference=FIi+; CurReference*=0x100; CurReference+=FIi+;/*void SendOK(void) Uchar i,j,Sum; Sum = 0; i = 0; FOi+=0xaa; FOi+=0x55; FOi+=0; FOi+=SlaveBoardNumber; FOi+=MIWriteAll; FO2 = i + 1; for(j=0;ji;j+) Sum+=FOj; FOi=Sum+1; CON485=1; SendCount=0; SendCountMax=i+2; PointSend=FO; U1TXREG=PointSendSendCount+;/*void ReadData(void)Uint Temp1,Temp2; Uchar i,j,Sum; Sum = 0; i = 0; FOi+=0xaa; FOi+=0x55; FOi+=0; FOi+=SlaveBoardNumber; FOi+=MIReadParameter; FOi+=ProtectState;FOi+=WorkMode; FOi+=Voltage/0x100;FOi+=Voltage%0x100; F