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DC-DC变换器（A题）2015年8月12日I摘要本系统以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AbstractThesystemisBuckandBoostparallel,toachievetwo-wayDC-DCexchange,STM32asthecorecontrolchip.TheBuckBuckmoduleusestheXL4016switchBuckconverterchip,takesthecurrentsignalintheoutput,controlsthefeedbackofXL4016,completestheclosed-loopcontrol,andrealizestheconstantcurrentoutput.BoostboostmoduleusesUC3843asthePWMcontrolchip,accordingtotheoutputvoltagenegativefeedbacksignaltoadjustthePWMsignal,theclosed-loopcontroliscarriedout,inordertoachievetheregulatoroutput.Systemcanautomaticallyswitchchargeanddischargemode,canalsobemanuallyswitch.Thesystemhasthefunctionofovercurrentandovervoltageprotection,andcanmeasureanddisplaytheoutputvoltageandcurrent.Keywords:bidirectionalDC-DCconverter,Buck,boost,PWMcontrolII目录1系统方案...................................................................11.1升、降压电路的论证与选择............................................................................................11.2系统组成及控制方法........................................................................................................12系统理论分析与计算.........................................................12.1电路设计与分析................................................................................................................12.1.1提高效率的方法.....................................................................................................12.1.2控制回路分析.........................................................................................................22.2控制方法分析....................................................................................................................22.3升压、降压电路参数计算................................................................................................22.3.1元件选取.................................................................................................................22.3.2电感计算.................................................................................................................23电路与程序设计.............................................................33.1电路的设计.........................................................................................................................33.1.1系统总体框图..........................................................................................................33.1.2充电系统原理.........................................................................................................43.1.3放电系统原理.........................................................................................................43.2程序的设计.........................................................................................................................53.2.1程序功能描述与设计思路......................................................................................53.2.2程序流程图..............................................................................................................54测试方案与测试结果.........................................................64.1测试方案.............................................................................................................................64.2测试条件与仪器................................................................................................................64.3测试结果及分析................................................................................................................64.3.1测试结果(数据).......................................................................................................64.3.2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.........................................................91双向DC-DC变换器1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、降压电路的选择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，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。1.2系统组成及控制方法借用现有成熟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高的控制灵敏度，在单片机参与时需要较多改动。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2.1电路设计与分析2.1.1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。22.1.2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