双向dc-dc变换器

2015年全国大学生电子设计竞赛（瑞萨杯）双向DCDC变换器（A题）【本科组】2015年8月15日摘要本系统以BUCK降压斩波和BOOST升压斩波电路为基础进行双向DCDC变换器的设计。变换器充电模式下主拓扑电路采用BUCK降压斩波电路对直流稳压电源进行降压处理，通过TL494芯片产生PWM从而控制BUCK降压斩波进行自动恒压恒流充电，利用FREESCALEXS128单片机AD模块对电压电流进行采集，并通过DA模块设定变换器电流给定值，同时用12864液晶对电压电流的设定值和采集值显示。放电模式下主拓扑电路采用BOOST升压斩波电路，通过恒压电路进行放电。关键字BUCK降压斩波电路；TL494芯片；FREESCALEXS128单片机；AD/DA模块；BOOST升压斩波电路目录摘要I目录II一、方案论证1二、电路与程序设计121系统总体框图122双向DCDC主回路123双向DCDC主回路器件224测量控制电路225控制程序2三、理论分析与计算231TL494频率232电压跟随器端电阻取值333LM358反相放大器比例334FREESCALEXS128DA算法335提高效率的方法3四、测试方案与测试结果341测试仪器342测试方案443测试结果444测试分析与结论4五、结束语5参考文献6附录一双向DCDC主回路电路原理图7附录二测量控制电路原理图8附录三部分控制程序9一、方案论证方案一利用LM317设计恒压恒流源电路，LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。利用LM317不能对其充电电流进行精确控制。方案二利用TL494设计BUCK降压恒压恒流电源电路，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于桥式单端正激双管式、半、全桥式开关电源，利用单片机DA模块对电压信号进行恒压恒流切换，可实现恒压恒流平滑过渡。综上所述，考虑对于该系统的利弊效果，采用方案二，利用TL494设计自动恒压恒流双向DCDC变换器。二、电路与程序设计21系统总体框图系统总体框图如图21所示图21系统总体框图22双向DCDC主回路BUCK降压斩波电路，其输出平均电压UO小于输入电压UI，输出电压与输入电压极性相同。充电模式下在BUCK降压斩波电路基础下，利用单片机DA模块对TL494恒压恒流充电电路的电压电流进行设定，TL494模块产生的PWM与PMOS构成驱动电路，驱动主拓扑电路的MOS管进而对直流稳压电源的输入电压进行斩波控制。TL494恒压恒流源电路FREESCALEXS128测控电路辅助电源直流稳压电源BUCK降压斩波电路/BOOST升压斩波电路电池组BOOST升压斩波电路，其输出平均电压UO大于输入电压UI，输出电压与输入电压极性相同。放电模式下对电池组电压就行升压稳压控制，同时可设置以最大电流放电，不断采集电池电压，当电池电压低于15V时自动关闭BOOST电路。双向DCDC主回路电路原理图见附录一。23双向DCDC主回路器件TL494集成了全部的脉宽调制电路，片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容），内置误差放大器，内置5V参考基准电压源。可调整死区时间，内置功率晶体管可提供500MA的驱动能力，含有推或拉两种输出方式。MOS驱动采用P沟道MOS和2个三极管组成的驱动电路。信号采集放大电路采用LM358组成电压跟随器以及反向放大电路。24测量控制电路充电模式TL494做BUCK直接采样电压，采集的电流信号为负值，用一个LM358做射随器阻抗变换，另一个LM358进行40倍放大，把取样电阻电压放大40倍送入TL494做恒流恒压控制，恒流范围依靠FREESCALEXS128单片机DAC输出电压控制，电压高则允许的电压或者电流就大，同时XS128两路DAC一路控制TL494电流，一路控制TL494电压自动恒压恒流充电，然后XS128的ADC2路采集电池的电压和电流信号送至12864液晶进行显示。放电模式下也是利用XS128设定放电电流,通过DA将XS128的数字量转化为模拟量送到TL494，TL494输出PWM波控制MOS管的导通。而且电路里不断监测电池电压，电压达到所设阈值时自动断开BOOST电路。测量控制电路原理图见附录二。25控制程序双向DCDC变换器控制芯片采用FREESCALEXS128，本系统控制程序主要包括AD/DA模块、按键模块、12864液晶显示模块。FREESCALEXS128内部不含DA模块，需加外置DA模块，并用DA模块完成双DCDC变换器的测控部分，同时用12864模块显示设定值及实际值。部分控制程序见附录三。三、理论分析与计算31TL494频率TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的电阻RT和电容CT来进行调节，其振荡频率为，TL494频率一般50100KHZ比较好，计算得出RT33K欧，TC1OSCRFCT10NF。32电压跟随器端电阻取值双向DCDC电路中采样电阻设置为两个02欧姆并联01欧，最大电流2A的时候为200MV小信号，选用LM358进行阻抗变换后放大，放大40倍为8V，正好满电流2A时候输出8V和DAC输出的最高幅值相差不大。33LM358反相放大器比例KRF/R1，本系统中要求反向放大比例为40倍，所以取RF为100K，R1为25K。34FREESCALEXS128DA算法输出模拟电压V2VREFDIGNUM/0X1000，注DIGNUM后四位为0X00000X0FFF，所需输入的数字信号值为16位数，其中D15D12为特殊位设置，D11D0为数据位000FFF，变换器最大输出电压为5V，所以取参考电压为25V。35提高效率的方法BUCK电感最好是多股并绕，不过考虑到电流不大，电感磁芯可以选小一点的，建议变压器磁芯开气隙，如果用环形的请用铁氧体而非铁粉芯，另外注意铁氧体电感设计要得当，电感量太小容易饱和影响输出效率，电感量太大会出不了功率。四、测试方案与测试结果41测试仪器直流稳压电源、数字万用表、示波器、电子称（最大称重5KG）42测试方案1、测量电流控制精度采集电路实际电流与设定值电流，通过求得电流控制精101IEIC度。2、测量电流变化率设U236V时，充电电流值为；U230V时，充电电流值为；U224V1I1I时，充电电流值为，则，求得电流变化率。12I012IS3、DCDC变换器效率，其中，求得1021P102P11IUP22IDCDC变换器效率。43测试结果1、电流控制精度A10I1121416182A104125148171191215ICE441576861752、电流变化率2U24V30V36VI202A203A204AS04944测试分析与结论由测试结果分析，本系统较好的完成了基本部分和发挥部分。并且本系统外加入了温度检测模块，具有良好的安全保障。五、结束语在完成本设计的过程中，我们把注意力主要集中在电源方案的选取以及硬件电路的焊接上。本次设计查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。在这为电子竞赛准备的期间，我们学到了很多，专业知识有了很大的提高。非常感谢有这么一个可以施展专业才华的舞台。参考文献1董诗白,华成英著模拟电子技术基础第四版M高等教育出版社，20062阎石著数字电子技术基础第五版M高等教育出版社20103王兆安,刘进军著电力电子技术第五版M机械工业出版社20094杨欣著电子设计从零开始第二版M清华大学出版社20105康华光电子技术基础模拟部分M北京高等教育出版社20056普利斯曼著开关电源设计第三版M电子工业出版社20107孙同景，陈桂友（编）FREESCALE9S12十六位单片机嵌入式开发技术M北京机械工业出版社，200878于军，翟玉文，孙陆梅TL494脉宽调制器集成电路的研究N吉林化工学院自动化系报纸文章20059SUZUKI,MYAMAHACOLTD,HAMAMATSU,JAPANSUGIYAMA,SHIBI,KUNO,MCONSTANTPOWERSUPPLYJIEEEJSOLIDSTATECICRUIT,200612364010MARTYBROWN（英）著徐德鸿，沈旭，杨成林，周邓燕译开关电源设计指南M北京机械工业出版社，200436，1923附录一双向DCDC主回路电路原理图R510KCUGND3K24LM8679IOUT信号采集放大电路JQVPEFOMPNET_A双向DCDC主变换电路附录二测量控制电路原理图P457M0123J6SVRLTBKGDNCEN89UHAXPY_/WIOFQXSEADRUIVCLKOBFGT测控部分电路原理图压辅助电源电路原理图附录三部分控制程序INCLUDE/COMMONDEFINESANDMACROS/INCLUDE“DERIVATIVEH“/DERIVATIVESPECIFICDEFINITIONS/INCLUDE“DEFINEH“/COMMONDEFINESANDMACROS/INCLUDE“DAH“/COMMONDEFINESANDMACROS/INCLUDEUNSIGNEDINTAD_VAL8/存放AD的CHARCHVOIDMAINVOIDENABLEINTERRUPTSINITWR_STRING0,0,“电流值“WR_STRING0,1,“电流值“WR_STRING0,2,“电压值“WR_STRING0,3,“电压值“FORWRITE_A_B0X0CCD,0X0000,CHANNAL_A,0/测量A通道WRITE_A_B0X0000,0X0FFF,CHANNAL_B,1/测量B通道AD_GETVALUEAD_VALAD_ACCEVAL_XAD_VAL0AD_GYROVAL_XAD_VAL1XIANS_X4,0,AD_ACCEVAL_X/浮点数显示函数128645位00XIANS_X6,2,AD_GYROVAL_X/浮点数显示函数128645位00/12864程序/INCLUDE“12864H“INCLUDE“DEFINEH“/清除LCD任意位置字符/POSITION为任一位置的起始地址/LENGTH为长度，取值为164/若只清一行最大为16/VOIDCLR_LCDUCHARX0,UCHARY0,UCHARLENGTHUINTIUCHARPOSSWITCHY0CASE0POS0X80X0BREAKCASE1POS0X90X0BREAKCASE2POS0X88X0BREAKCASE3POS0X98X0BREAKDEFAULTBREAKWR_LCDCOMM,POSDELAY_10USFORI0ILENGTHIDELAY_10USWR_LCDDAT,0X20/填充空格/设置地址/VOIDSET_POSUCHARX0,UCHARY0UCHARPOSSWITCHY0CASE0POS0X80X0BREAKCASE1POS0X90X0BREAKCASE2POS0X88X0BREAKCASE3POS0X98X0BREAKDEFAULTBREAKWR_LCDCOMM,POSDELAY_10USDELAY_10US/写字符串/写单个字符直接写数据就行/X取值03，Y取值07VOIDWR_STRING1UCHARPUCHARCNT0WHILEPCNT0WR_LCDDAT,PCNTCNT/显示单个字符/VOIDWR_DATAUCHARX0,UCHARY0,UCHARDATAUCHARPOS0SWITCHY0CASE0POS0X80X0BREAKCASE1POS0X90X0BREAKCASE2POS0X88X0BREAKCASE3POS0X98X0BREAKDEFAULTBREAKWR_LCDCOMM,POSWR_LCDDAT,DATA/写字符串/X取值03，Y取值07VOIDWR_STRINGUCHARX0,UCHARY0,CHARPUCHARPOS0UCHARCNT0SWITCHY0CASE0POS0X80X0BREAKCASE1POS0X90X0BREAKCASE2POS0X88X0BREAKCASE3POS0X98X0BREAKDEFAULTBREAKWR_LCDCOMM,POSWHILEPCNT0WR_LCDDAT,PCNTDELAY_10USDELAY_10USCNTDELAY_10USDELAY_10USDELAY_10USDELAY_10US/整屏显示图形/VOIDIMG_DISPUCHARIMGUCHARI,JFORJ0J32JFORI0I8IWR_LCDCOMM,0X34WR_LCDCOMM,X1JWR_LCDCOMM,X1IWR_LCDCOMM,0X30WR_LCDDAT,IMGJ16I2WR_LCDDAT,IMGJ16I21FORJ32J64JFORI0I8IWR_LCDCOMM,0X34WR_LCDCOMM,X1J32WR_LCDCOMM,X2IWR_LCDCOMM,0X30WR_LCDDAT,IMGJ16I2WR_LCDDAT,IMGJ16I21WR_LCDCOMM,0X36/END/电压显示函数12864三位小数VOIDXIANS_DUCHARX3,UCHARY3,FLOATSHU1U