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）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整流的范围，

2、因此其效率可达到90%以上。关键字：DC-DC,STM32,BOOSTS,BUCKfe路，同步整流AbstractThisdesignusesPWMtechnologytoachievetwo-wayDC-DCtransform,whichcanbechargedbytheexternalpowertothelithiumbattery,whentheexternalpowersupplyislowerthan30volts,andthetwocanautomaticallyswitchaccordingtothevoltageoftheexternalpowersupplyvoltagean

3、dthelithiumbattery.ThedesignusesBUCK(DCchoppercircuit)circuittoachieveconstantcurrentcharging,usingBOOST(DCchopperboosttopology)toachievealithiumbatterypowersupplytotheload.ThisdesignusetheSTM32asthemaincontrolmodule,themainuseofTL494toproduceasinglePWMwave,thePWMwaveafterenteringthehalfbridgedriver

4、chipIR2401cangeneratetwocomplementaryPWMwave,soastodrivethecorrespondinghighpowerfieldeffecttransistor,thedriveisthesynchronousrectificationrange,sotheeffectratereachedmorethan90%.Keywords:DC-DC,STM32,BOOSTcircuit,buakcircuit,synchronousrectifier一、方案论证及比较1,拓扑方案的选择和论证方案一：使用LM259吩别做两个电路，一个用MAX41刖LM259

5、6（故恒流源，实现外部电源给电池恒流充电，另一路使用LM2596乍恒压源，实现电池给负载供电。方案二：用BUCKI路作为降压恒流源，实现给电池充电，用BOOSTS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：方案三和方案二类似，使用的都是BUC麻口BOOS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犯上，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1-1BUCK与BOOSTS同步整流电路拓扑2 .产生PWMS方案方案一：使用STM32勺PW

6、刚能，产生两路的互补的PWMS,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PWMfc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%勺PWMS,然后进入一个驱动板桥的电路，由此产生两路互补的PWIMl,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BUCK1路的直流斩波降压功能和BOOST勺直流斩波升压功能。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,1-2所示所以选择方案二。原理图如图图1-2PWM波产生电路3 .处理器方案一：使用AT89S5

7、2来做为CPU实现对电路的调节，从而实现数控。AT89S52g一种低功耗、高性能CMOS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可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPUK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。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乍为处理芯片，让它完成对电路的监控测试和控制功能。STM32s列基于专为要求高性能、低成本，低功耗的嵌入式应

8、用专门设计的ARM具有增强型和基本型。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128K的内存，不同的是SRAM勺最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz寸，从闪存执行代码，STM3刻耗36mA是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz.由于STM3姑部自带AD和DA转换器，所以我们这次设计就使用STM32乍为CPU®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.04 .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

9、，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乍为显示材料，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线出行多种接口万式，内置8192个16*16点汉字和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

10、电压，然后使用运放跟随器作缓冲，然后通过AD专换，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.系统的硬件设计本系统才用BUCK1路实现降压恒流模式充电，用STM3型部的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。给电池充电<=|降压恒流眄2拓扑rz>i电天则1驰动电桥MAX4172TL494产生PWM直流输入去误差放大法负肃STM32处理显示STM32内部DAC

11、图2-1恒流框架图图2-2是用BOOS拓扑实现电池给负载包压供电，用TL494来驱动器同步桥，BOOST勺升压功能，同时也是使用DAC合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。TL494产生PWM升压由QH升压拓扑英动鲁去4宣误差奥8STMS2处理K口显:不2.系统的软件设计图2-2恒压框架图更新相应的DAC值判定电池端和直流输入端电压DAC输出相应值程序流程图三、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

12、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%120012090.66%130013200.76%140014000%150015080.53%1600

13、16201.25%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£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=36VM,充电电流I11=1.984A。U2=30VW,I1=1.945A。U2=24V寸，I12=1.945A。所以电流变化率为(I11-I12)/I1*100%=(1.964-1.945)/1.

14、945*100%=0.97%<1%.所以满足充电电流I1的变化率不大于1%勺要求。设定I1=2A,在U2=30标件下，(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)显小电流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%1700171016901.18%1800185018152.47%1900186019102.60%20001950

15、20504.80%按照设计要求测量精度不低于2%勺要求基本达到，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