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1、2015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16日摘要:本系统以同步整流电路为核心构成双向DC-DC电路，用两块LT8705构建双向DCDC,当系统选择了充电模式，则关断放电的LT8705模块，当放电的时候则关断充电LT8705模块。自动模式的时候通过系统自动调整输入输出模式，使得系统到达稳定。系统充电电流I1在 12A 围步进可调；设定I1=2A后，U2在2436V围变化时，充电电流I1的变化率小于1%；设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率到达95%；12864实时显示充电电流的数值，精度误差小于2%；具有过充保护功能；放电模式时，保持U2=300
2、.5V，变换器效率到达97%，满足题目要求。关键词：双向DC-DC电路； LT8705；关断保护目录一、系统方案11.1双向DC-DC 电路方案论证与选择11.2电流监测反应模块的选择11.3电流电压测量AD模块的论证与选择11.4辅助电源的选择11.5单片机的选择1二、理论分析与计算12.1提高效率的方法1三、核心局部电路及程序设计1四、测试方法与数据1五、结果分析1六、参考文献1一、系统方案1.1双向DC-DC 电路方案论证与选择方案1：采用双向Buck-Boost DC-DC变换电路。工作原理：当Q2保持关断，Q1采用PWM工作方式工作时，变换器实际是一个Buck电路，能量从V1传到V2
3、。当Q1保持关断，Q2采用PWM工作方式工作时，交换器相当于一个Boost电路，能量从V2传到V1。如图1所示。其可以实现降压充电又可实现升压输出，有较好的灵活性。驱动开关管局部电路简单，但效率达不到要求。图1双向Buck-Boost DC-DC变换电路方案2：采用LT8705降压-升压型DC-DC控制器，该器件可以在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下运作。输入电压围：2.8V至80V；输出电压1.3V至80V。同步整流：效率高达98%，可同步的固定频率：100KHz至400KHz。该方案的优点，效率极高，可以很好的满足题目的效率要求。电路原理图见附图1。方案3：采用双向半桥DC-DC变
4、换电路。如图2，电路由两个半桥组成，高压侧为电压型半桥，低压侧为电流型半桥Lr为变压器漏感与外加电感之和。由于变压器的激磁电感Lm远远大于漏感，因此可以将其忽略。该方案电路相对复杂，且有变压器整个系统质量偏重，效率较低，不符合题目要求。图2 双向半桥DC-DC变换电路分析：方案二效率更高，且电路简单易实现，应选用LT8705作为双向DC-DC电路的主要芯片。1.2电流监测反应模块的选择方案1：采用INA196电流采样芯片，INA194是16位电流检测器。共模电压围-16到+36v，工作温度围-45C到+125C，在整个工作温度围，误差小于3%；带宽可达500kHz；静态电流最大值900uA；输
5、出电压正比于检测电流，检测电流围大；部运放输出接近电源电压：与V+差0.1V，与GND差3mV，工作温度围-45C到+125C，该方案的优点是：精度高，功耗低，电路简单易实现。方案2：采用MA*471精细电流传感放大器MA*471。MA*471置35m精细传感电阻,可测量电流的上下限为3A。所需的供电电压VBRVCC为336V,所能跟踪的电流的变化频率可到达130kHz。该方案的优点：响应速度快，精度可观。方案3：采用AD8221精细仪表放大器，AD8221是一款增益可编程、高性能仪表放大器，相比于同类芯片其相对于频率的共模抑制比CMRR最高，从而打打降低对滤波器的要求，该器件的额定工作温度为
6、-40C至+85C，该方案的优点：功耗低，速度快。分析：AD8221的精度相比于其他两个芯片更高，且性能最正确，应选用AD8221作为电流检测反应模块的主要芯片。1.3电流电压测量AD模块的论证与选择方案1：分别采用电流电压型模数转换芯片ADC0832和ADC0809。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近
7、式A/D转换器，8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。单个+5V电源供电。该芯片，分辨率相对较低，不符合题目的分辨率要求。方案2：采用ADS8688单电源8通道逐次逼近存放器(SAR)模数转换器(ADC)，其工作时的吞吐量可达500kSPS。支持自动和手动两种扫描模式的 4 通道或 8 通道多路复用器、以及低温度漂移的片上 4.096V 基准电压。采用 5V 单模拟电源供电时，器件上的各输入通道均可支持10.24V、5.12V 和2.56V 的实际双极输入围以及 0V 到 10.24V 和 0V 到 5.12V 的单极输入围。模拟前端在所有输入围的增益均经过准确微调，以确保高直流精度
8、。输入围的选择可通过软件进展编程，各通道输入围的选择相互独立，输出保护电压高达20 V,低功耗65mW,具有极好的性能。该方案的优点是，精度分辨率高，速度快，功耗低。分析：方案一用了两块芯片，电路比拟复杂，且精度不高温度漂移大，使系统准确性不高，且相比于方案二功耗更高，所以本设计选用方案二。1.4辅助电源的选择方案1：采用凌力尔特公司的LTC3114。LTC3114是可编程输出电流DC/DC转换器,输出电压可低于或高于输入电压。输入电压围2.2 v至40 v，输出电压围2.7V至40V，输出电流可达1安。效率高达96%。该方案的优点是：效率高，电路简单。方案2：采用LM2596S-5V开关电压
9、调节器，LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可以稳定输出5V电压。部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比拟，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极简化了开关电源电路的设计。在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在4%的围，振荡频率误差在15%的围。分析：考虑到输出电压稳定性及系统质量的要求，本设计选用方案二的 LM2596S-5V开关电压调节器1.5单片机的选择方案1：采用STM32F1
10、03系列单片机。该单片机采用ARM32位Corte*-M3CPU核，最高72MHz工作频率，128K字节的闪存程序存储器高达20K字节的SRAM，2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。具有速度快，功耗低，体积小重量轻的优点。方案2：AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51
11、指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元， AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进展编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发本钱。分析：由于本系统对单片机处理速度要求较高，应选用速度更快且功耗更低的STM32来作为整个系统的控制模块芯片。二、理论分析与计算2.1提高效率的方法（1） 采用LT8705作为双向DC-DC电路的核心，LT8705用4个反应环路来
12、调节输入电流/电压以及输出电流/电压。使用的同步整流能能有效的提高效率，到达98%以上，相比于采用拓扑构造的方案效率更高。（2） 使用印制电路板，低线路进展合理的布局，使电路更稳定，防止电路过激或震荡，增强电路可靠性，降低功耗，提高效率。三、核心局部电路及程序设计图3程序构造框图外接30伏电压时系统为充电模式，AD芯片采集电流电压信号反应单片机，实现恒流输入，并实时显示，按键扫描检测按键是否按下，来控制充电电流大小，充电电压超过阀值时，自动断电。接负载时自动切换为放电模式，AD芯片采集输出电压信号传输到单片机比照，进展闭环控制，保证输出电压为恒定30伏。图4 系统构造框图四、测试方法与数据1题
13、目要求：U2=30V 条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1在12A围步进可调，步进值不大于 0.1A，电流控制精度不低于 5%。测试结果如下：表1 充电电流步进控制检测数据按键次数12345678910理论电流值(A)1.051.101.151.201.251.301.351.401.451.50实际电流值(A)1.041.111.131.211.241.291.331.381.441.49按键次数11121314151617181920理论电流值(A)1.551.601.651.701.751.801.851.901.952.00实际电流值(A)1.531.581.651.681.751
14、.801.861.881.952.01电流初始值1A，每按两次键，理论充电电流增加0.05A。根据电流控制定义式：实际电流控制值精度为2%，符合题目要求。2题目要求：设定I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，使U2在2436V围变化时，要求充电电流I1的变化率不大于 1%。测试结果如下：表2 充电电流调整率测试数据输入电压U2/V242628303234充电电流I1/A1.981.981.992.001.992.01根据电流变化率计算公式：实际电流变化率为0.5%，符合题目要求。3题目要求：测量并显示充电电流I1，在I1=12A围测量精度不低于2%。测试结果如下：表3 显示电流测试数据实际电流
15、I11.0121.2351.4361.6451.8052.003显示电流I*/A1.0051.2201.4021.6001.8232.023根据测试结果，测量精度误差低于2%符合题目要求。4题目要求：接通S1、S2，断开S3，调整直流稳压电源输出电压，使Us在3238V围变化时，双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=300.5V。测试结果如下：表4 电压调整率测试数据直流稳压电源输出电压US/V32333435363738U2/V30.230.630.729.529.730.129.5根据测试结果，电压值根本能稳定在300.5V，根本满足题目要求。5充放电效率及质量测量。充电效率为
16、95%，放电效率为97%，很好的到达了题目的要求。五、结果分析经测试，系统充电电流I1在 12A 围步进可调；设定I1=2A后，U2在2436V围变化时，充电电流I1的变化率小于1%；设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率到达95%；12864实时显示充电电流的数值，精度误差小于2%；具有过充保护功能；放电模式时，保持U2=300.5V，变换器效率到达97%，满足题目要求。六、参考文献1 周志敏，开关电源实用技术M.：人民邮电，20072 康华光，电子技术根底模拟局部M.第五版.：高等教育，20063 王兆安，进军，电力电子技术M.第五版.机械工业，20094 Raymond A.
17、 Mack,Jr.开关电源入门M.：人民邮电，20075 占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计M.修订版.：电子工业，2007/AD8688 IO SPI1 PA4 5 6 7/OLED显示屏 SCLK PA0 SDA PA1/SD关断开启模式 SDboost PA2SDbuck PA3/DA7612 模拟法 CS PB12 SCLK PB13 DIN PB14/按键key 和板子上一样 key1234*include include.h*include TLV2543.hchar a8;void work(void);int main(void)delay_init();/系统初始化SDIni
18、t();spi_init();/AD初始化ADInit();KEY_Init();/按键初始化DAInit();/DA初始化OLEDIO_Init();OLED_Init();/初始化OLED OLED_Clear(); /清屏work();void Boostmode(void);void Buckmode(void);void Automode(void);static u16 U2;static u16 U1;static u16 Us;static u16 Uc;void work()OLED_Clear(); /清屏while(1)OLED_ShowString(0,0,KEY1:B
19、UCK Mode,16); OLED_ShowString(0,2,KEY2:Boost Mode,16); OLED_ShowString(0,4,KEY3:AUTO Mode,16);if(KEY_Scan()=3) OLED_Clear(); Automode();/进入自动模式else if(KEY_Scan()=1) /降压模式OLED_Clear(); SDboost=0; /关升压SDbuck=1; /开降压Buckmode();/进入降压模式else if(KEY_Scan()=2)OLED_Clear(); SDboost=1; /开升压SDbuck=0;/关降压Boostm
20、ode();/进入升压模式void Buckmode()float Current;int i=1000;OLED_ShowCHinese(0,0,0);/恒OLED_ShowCHinese(18,0,1);/流OLED_ShowCHinese(36,0,2);/模OLED_ShowCHinese(54,0,3);/式DA_conver(2,1000); /默认输入电压1V，控制电流1Awhile(1)Current=Chan(1)/100;/检测输出电流 I1 1毫欧放大十倍OLED_ShowString(0,6,KEY4:Add Current,16);if(KEY_Scan()=4)/i
21、=i+50;if(i=2000)i=2000;if(Chan(2)=23.5) /检测充电电压U1SDboost=0; /关升压关降压SDbuck=0;OLED_Clear(); OLED_ShowString(0,0,Error:Reboot,16); delay_ms(10000);work(); /出错返回开场DA_conver(2,i); /DA步进0.05Vsprintf(a,%.3f A,Current);OLED_ShowString(0,2,a,16); void Boostmode()OLED_ShowCHinese(0,0,4); /恒OLED_ShowCHinese(18
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23、CHinese(18,0,1);/流OLED_ShowCHinese(36,0,2);/模OLED_ShowCHinese(54,0,3);/式DA_conver(2,j); /默认输入电压1V，控制电流1Awhile(1)Auto=Chan(4)/100;/检测输出电流 I1 1毫欧放大十倍OLED_ShowString(0,6,KEY4:Add Current,16);if(KEY_Scan()=4)/j=j+50;if(j=2000)j=2000;if(Chan(1)=23.5) /检测充电电压U1SDboost=0; /关升压关降压SDbuck=0;OLED_Clear(); OLED
24、_ShowString(0,0,Error:Reboot,16); delay_ms(10000);work(); /出错返回开场DA_conver(2,j); /DA步进0.05Vsprintf(a,%.3f A,Auto);OLED_ShowString(0,2,a,16); if(Chan(3)=35.0)Automode();elseOLED_Clear();OLED_ShowCHinese(0,0,4); /恒OLED_ShowCHinese(18,0,5); /压OLED_ShowCHinese(36,0,6); /模OLED_ShowCHinese(54,0,3); /式OLED_ShowString(0,2,OUT:30.0V,16); /DA输出2.5V，与U2反应比拟稳压30VDA_conver(2,4096); /DA7612输出A通道 4.096Vif(Chan(3)=35.0)Automode();图1 系统原理图
