双向DC-DC变换

1、2015年全国大学生电子设计竞赛 论文 A题：双向DC-DC变换器 2015年8月15日双向DC-DC变换器（A题）摘 要本设计采用PWM技术来实现双向DCDC变换，可由外部电源给锂电池充电，当外部电源低于30伏时则由锂电池直接给负载供电，且两者可以根据外部电源电压与锂电池电压的高低进行自动切换。本设计使用BUCK（直流斩波降压电路）电路实现恒流充电，采用BOOST（直流斩波升压拓扑电路）实现锂电池给负载恒压供电。本设计使用STM32为主控模块，主要采用TL494来产生单路PWM波，该PWM波进入半桥驱动芯片IR2401后可产生两路互补的PWM波，以此驱动相应大功率场效应管，该驱动方式属于同步

2、整流的范围，因此其效率可达到90%以上。关键字：DC-DC ，STM32 ，BOOST电路，BUCK电路，同步整流 AbstractThis design uses PWM technology to achieve two-way DC - DC transform, which can be charged by the external power to the lithium battery, when the external power supply is lower than 30 volts, and the two can automatically switch accor

3、ding to the voltage of the external power supply voltage and the lithium battery. The design uses BUCK (DC chopper circuit) circuit to achieve constant current charging, using BOOST (DC chopper boost topology) to achieve a lithium battery power supply to the load. This design use the STM32 as the ma

4、in control module, the main use of TL494 to produce a single PWM wave, the PWM wave after entering the half bridge driver chip IR2401 can generate two complementary PWM wave, so as to drive the corresponding high power field effect transistor, the drive is the synchronous rectification range, so the

5、 effect rate reached more than 90%.Keywords: DC - DC, STM32, BOOST circuit, buak circuit, synchronous rectifier一、方案论证及比较1.拓扑方案的选择和论证方案一：使用LM2596分别做两个电路，一个用MAX417和LM2596做恒流源，实现外部电源给电池恒流充电，另一路使用LM2596作恒压源，实现电池给负载供电。方案二：用BUCK电路作为降压恒流源，实现给电池充电，用BOOST来升压实现电池给负载供电。这两个电路都是使用场效应管和续流二极管实现的，存在效率低的缺点。方案三：方案三和方

6、案二类似，使用的都是BUCK和BOOST拓扑电路，但使用了同步整流电路。同步整流是现在做电源的很好的一个整流电路，它可以很好的提高效率。由于在这道题中对效率的要求要达到90%以上，为了能满足设计的需求，所以选择方案三。电路图如图1-1所示。图1-1 BUCK与BOOST与同步整流电路拓扑2.产生PWM波方案方案一：使用STM32的PWM功能，产生两路的互补的PWM波，外加驱动电路，直接去驱动同步整流桥，然后在程序里面做到闭环控制，让设定的PWM波的占空比能很好的跟踪输出，但是程序难度相对大，而且可靠性相对较低。方案二：使用TL494产生一路占空比可调，且占空比可达100%的PWM波，然后进入一

7、个驱动板桥的电路，由此产生两路互补的PWM波，然后直接去驱动整流桥的上下管，实现整流功能，也就是实现BUCK电路的直流斩波降压功能和BOOST的直流斩波升压功能。同时由于使用TL494可以很好的实现硬件闭环控制,且易于结合单片机实现数控，所以选择方案二。原理图如图1-2所示。图1-2 PWM波产生电路3.处理器方案一：使用AT89S52来做为CPU实现对电路的调节，从而实现数控。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统

8、可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方但内部没有AD和DA的功能资源，所以它的使用相对繁琐。方案二：使用STM32作为处理芯片，让它完成对电路的监控测试和控制功能。STM32系列基于专为要求高性能、低成本，低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM，其有增强型和基本型。增强型系列时钟达到72MHz,是同类产品中性能最高，基本型时钟为36M，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到

9、128K的内存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA,是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz.由于STM32内部自带AD和DA转换器，所以我们这次设计就使用STM32作为CPU实现对电路的测试和监控，从而达到了数控的目的。所以我们选择方案二。4.显示部分方案一：使用数码管显示，数码管属于低功耗的显示器件，只能显示数字，不能显示字符，所以在这里不作考虑。方案二：使用LCD12864作为显示材料，这是一个带中文字库的显示设备，具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式， 内置8192个16*16点汉字和

10、128 个16*8点ASCII 字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。由于要显示的内容比较多，所以我们选择的是方案二，使用LC12864作为显示部分。5.电流采样方案一：使用康铜丝电阻串联进电流环路，然后使用AD620把康铜丝两端的电压差转换为单端对地信号，然后直接使用AD转换芯片读取回单片机就可以得到电流信号。方案二：使用max4172把电流转换为电压，然后使用运放跟随器作缓冲，然后通过AD转换，得到电流值。由于max4172是专用的电流检测芯片，稳定性更加好也更加安全可靠，而且价格更加便宜，综合考虑使用方案二。二、系统的具体设计和实现1.系统

11、的硬件设计本系统才用BUCK电路实现降压恒流模式充电，用STM32内部的AD转换器对输出的电流进行采样，得到的电流值通过计算，所得结果通过DA转换反馈回TL494的误差放大器的负端作为基准电压，通过改变基准电压实现恒流，并可设定步进功能。图2-1 恒流框架图图2-2是用BOOST拓扑实现电池给负载恒压供电，用TL494来驱动器同步桥，BOOST的升压功能，同时也是使用DAC给TL494一个基准电压，然后用TL494实现闭环控制，最后达到稳压输出的效果。图2-2 恒压框架图2.系统的软件设计程序流程图三、系统调试与测试1.测试仪器直流电源箱，双踪示波器，五位半万用表。2.测试方法及结果由于系统总

12、TL494的使用开关功率使用的是25KHZ，把最小占空比设定为20%，最大占空比为905%所以电感的大小L=(Vin*D*(1-D)/(2I0f),所以经计算L的大小为2mH。输出电容：C=Io*don/(f*Vpp),参数带入，C=220uF，2个220uF /50V电解电容并联。辅助电源供电，由市电经变压器降压后，然后又整流，滤波，最后经三段稳压管稳压后给电路供电，作为辅助电源。（1）电流控制精度的测量对恒流步进模式进行测量: U2=30V 条件下，测得的数据如下表。表3-1 电流精度测量值设定电流I（mA）仪器测得电流I2（mA）电流控制精度100010101%110011090.81%

13、120012090.66%130013200.76%140014000%150015080.53%160016201.25%170016900.58%180018150.83%190019100.52%200020502.50%由于电流控制精度定义为eic=|I2-I0|/I*100%,，从上表中可以看出，本次设计的电流控制精度满足小于5%的要求.（2）电流变化效率的测量和效率测量条件是设定I1=2A模式充电，然后使U2在24V36V范围内变化时，要求充电电流的变化率不大与1%。电池接上。当U2=36V时，充电电流I11=1.984A。U2=30V时，I1=1.945A。U2=24V时，I12

14、=1.945A。所以电流变化率为（I11-I12）/I1*100%=(1.964-1.945)/1.945*100%=0.97%<1%.所以满足充电电流I1的变化率不大于1%的要求。 设定I1=2A，在U2=30V条件下，（3）测量精度在正常工作下测得如下数据：表3-2 电流对比表设定电流I（mA）显示电流I1（mA）仪器测得电流I2（mA）电流控制精度1000103010101%1100112011090.99%1200124012092.50%1300131013200.76%1400140014000%1500153015081.45%1600160016201.25%170017

15、1016901.18%1800185018152.47%1900186019102.60%2000195020504.80%按照设计要求测量精度不低于2%的要求基本达到，但是可以看到还是相对不不稳定。原因是由于测量时的采样电阻有温漂。总体来说这次设计基本能完成基础部分，而且精度还是挺高的，基本满足的设计的要求和任务。五、总结本次是我们大学最后一次参加电子设计大赛，四天三夜，我们从确定方案，否决方案，再确定方案，在这过程中有很多的问题出现，不同的想法，不同的见解，不同的理解，有过烦躁，有过失望，也有过惊喜，熬夜通宵的疲惫，渴望成绩的那颗心。一次这样的比赛自己就能成熟很多，学会接受更多，同时也知道自己的不满足和知识的理解能还是有欠缺的。在比赛中我们有过讨论有过抱怨，很多时候我们开始慢慢的考虑别人的感受，注意自己的方式方法，开始懂得团队的力量远远会大过一个人的力量。这是我们一生的宝贵经验，这是我们这次参赛的最大收获。六、参考文献