双向 DCDC 变换器报告.docx
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双向DCDC变换器报告
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DC—DC,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，使得系统达到稳定。
系统充电电流I1在1~2A范围内步进可调；设定I1=2A后，U2在24~36V范围内变化时，充电电流I1的变化率小于1%；设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率达到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=30±，变换器效率达到97%，满足题目要求。
关键词：
双向DC-DC电路；LT8705；关断保护
一、系统方案
双向DC-DC电路方案论证与选择
方案1：
采用双向Buck-BoostDC-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。
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。
驱动开关管部分电路简单，但效率达不到要求。
图1双向Buck-BoostDC-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。
输入电压范围：
至80V；输出电压至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，故选用LT8705作为双向DC-DC电路的主要芯片。
电流监测反馈模块的选择
方案1：
采用INA196电流采样芯片，INA194是16位电流检测器。
共模电压范围-16到+36v，工作温度范围-45°C到+125°C，在整个工作温度范围内，误差小于3%；带宽可达500kHz；静态电流最大值900uA；输出电压正比于检测电流，检测电流范围大；内部运放输出接近电源电压：
与V+差，与GND差3mV，工作温度范围-45°C到+125°C，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MAX471精密电流传感放大器MAX471。
MAX471内置35mΩ精密传感电阻,可测量电流的上下限为±3A。
所需的供电电压VBR／VCC为3～36V,所能跟踪的电流的变化频率可达到130kHz。
该方案的优点：
响应速度快，精度可观。
方案3：
采用AD8221精密仪表放大器，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-40°C至+85°C，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，且性能最佳，故选用AD8221作为电流检测反馈模块的主要芯片。
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是生产的一种8、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。
其内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0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D，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通道逐次逼近寄存器（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±、±和±的实际双极输入范围以及0V到和0V到的单极输入范围。
模拟前端在所有输入范围内的增益均经过精确微调，以确保高直流精度。
输入范围的选择可通过软件进行编程，各通道输入范围的选择相互独立，输出保护电压高达±20V,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，电路比较复杂，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。
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。
输入电压范围v至40v，输出电压范围至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。
内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较，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，极大地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%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内。
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
单片机的选择
方案1：
采用STM32F103系列单片机。
该单片机采用ARM?
32位Cortex-M3?
CPU内核，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?
8位，片内含8kbytes的可反复擦写的只读和256bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51，片内置通用8位和Flash，AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含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行编程，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成本。
分析：
由于本系统对单片机处理速度要求较高，故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
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个反馈环路来调节输入电流/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，达到98%以上，相比于采用拓扑结构的方案效率更高。
（2）使用印制电路板，低线路进行合理的布局，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、核心部分电路及程序设计
图3程序结构框图
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馈单片机，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对比，进行闭环控制，保证输出电压为恒定30伏。
图4系统结构框图
四、测试方法与数据
（1）题目要求：
U2=30V条件下，实现对电池恒流充电。
充电电流I1在1~2A
范围内步进可调，步进值不大于，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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
理论电流值（A）
实际电流值（A）
按键次数
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
理论电流值（A）
实际电流值（A）
电流初始值1A，每按两次键，理论充电电流增加。
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24~36V
范围内变化时，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/V
24
26
28
30
32
34
充电电流I1/A
根据电流变化率计算公式：
实际电流变化率为%，符合题目要求。
（3）题目要求：
测量并显示充电电流I1，在I1=1~2A范围内测量精度不
低于2%。
测试结果如下：
表3显示电流测试数据
实际电流I1
显示电流IX/A
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32~38V范围内变化时，双向DC-DC电路能够自动转换工作模式并保持U2=30±。
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/V
32
33
34
35
36
37
38
U2/V
根据测试结果，电压值基本能稳定在30±，基本满足题目要求。
（5）充放电效率及质量测量。
充电效率为95%，放电效率为97%，很好的达到了题目的要求。
五、结果分析
经测试，系统充电电流I1在1~2A范围内步进可调；设定I1=2A后，U2在
24~36V范围内变化时，充电电流I1的变化率小于1%；设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率达到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=30±，变换器效率达到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].北京：
人民邮电出版社，2007
[2]康华光，电子技术基础模拟部分[M].第五版.北京：
高等教育出版社，2006
[3]王兆安，刘进军，电力电子技术[M].第五版.北京机械工业出版社，2009
[4]RaymondA.Mack,Jr.开关电源入门[M].北京：
人民邮电出版社，2007
[5]张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计[M].修订版.北京：
电子工业出版社，2007
附件
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图1系统原理图
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