双向DCDC变换器.docx
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双向DCDC变换器
2015年全国大学生电子设计竞赛
双向DC-DC变换器（A题）
学号：
吕刚
2015年12月30日
摘要
本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。
恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。
以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。
在本次设计中恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。
单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。
关键字电池充放电升压降压XL4016XL6019STM32
双向DC-DC变换器（A题）
【本科组】
一、系统方案
本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。
恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。
以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。
1、双向DC-DC变换电路的论证与选择
方案1:
由降压斩波变换电路（即Buck变换电路）和升压斩波变换电路（即Boost电路）组成双向DC-DC变换电路，分别各使用一个全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,对输入直流电源进行斩波控制通过调整全控型器件VT的控制信号占空比来调整输出电压。
方案2：
采用XL4016开关型降压芯片和XL6019开关型升压/降压芯片构成升压、降压电路具有低纹波，内助功率MOS,具有较高的输入电压范围，内置过电流保护功能与EN引脚逻辑电平关断功能。
综合以上两种方案，考虑到时间的限制，选择了比较容易实现的方案2。
2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择
由于瑞萨单片机开发套件数量有限，所以我们选择了一款相对便宜，速度快，性价比较高的STM32103V8T6作为控制器，显示部分由于收到题目对作品重量的要求，选择了质量轻，分辨率较高的0.96寸OLED屏幕显示。
由于市场上所售开关电源模块的，纹波大的因素，所以辅助电源选择了一个较小的9V变压器，进行，整流滤波作为辅助电源。
3、控制方法的论证与选择
方案1：
采用PWM调节占空比的方法控制降压芯片的控制端，达到控制恒流和控制恒压的目的，采用PWM调节软件较为复杂，而且PWM调节较为缓慢，软件控制难度大。
方案2：
恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。
单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。
综合以上两种方案，选择软件较为简单，硬件较为复杂的方案2。
二、系统理论分析与计算
1、充电电路设计分析
充电电路也就是一个降压电路，并且要求是一个恒流源，本次竞赛选取XL4016为核心降压芯片，其结构如图所示。
管脚定义如下典型应用电路如下
2.2放电电路设计分析
XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路，可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS。
XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。
PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。
内置过电流保护功能与EN脚逻辑电平关断功能。
典型应用电路如下
2.1充电电路设计分析
充电电路也就是一个降压电路，并且要求是一个恒流源，本次竞赛选取XL4016为核心降压芯片，其结构如图所示。
XL4016降压模块电路图如下所示
2.2放电电路设计分析
XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路，可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS。
XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。
PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。
内置过电流保护功
能与EN脚逻辑电平关断功能。
典型应用电路如下
三、电路与程序设计
1、电路的设计
（1）系统总体框图
（图3-1）
系统总体框图如图3-1所示，主要由辅助电源、测控电路、双向DC-DC变换电路等组成，辅助电源为测控电路供电，测控电路用于检测和控制双向DC-DC电路，以及电压电流的采集与控制。
（2）降压电路原理
降压电路采用XL4016型8A，180KHz，40V，PWM降压型直流对直流转换器，最大效率可达96%。
输出1.25V到36V可调，8A恒定输出电流能力。
如下图3-2所示为XL4016降压部分电路图，通过对FB引脚的控制，可有效的实现电流及电压的控制。
该转换器外围器件少，低纹波，调节简单，内置短路保护功能。
PWM占空比0%到100%连续可调。
（图3-2）
（3）升压电路原理图
升压电路使用XL6019型220KHz、60V、5A开关电流升压/降压型DC-DC转换器。
可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS、XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。
PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。
内置过流保护功能与EN脚逻辑电平关断功能。
使用单片机控制EN引脚实现对升压模块开启与关断。
（图3-3）
（4）测控电路电路原理图
测控电路如图3-4所示，通过电阻分压滤波后，使用单片机ADC采样，得到输入、输出电压，以及电流和2.5V基准电压，使用TL431产生2.5V基准电压用于矫正。
恒压恒流控制使用单片机输出PWM，经滤波后使用LM358跟随，增强驱动能力，同时可减小输入控制端的能量消耗。
使用比较器比较设定值与输出值，再控制芯片的工作状态。
（图3-4）
电源
为减小高频干扰，辅助电源使用220V到9V普通变压器，经整流滤波后使用7812和HT7333分别输出12V和3.3V电压为LM358和单片机小系统板供电。
2、程序的设计
（1）程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求，软件部分实现测量显示，切换模式，充电过压保护，控制调节系统。
2、程序设计思路
（1）、首先进行，按键，OLED各个内设初始化；
（2）、进行按键扫描；
（3）、判断模式；
（4）、进行PWM控制电流，让输出为横流模式；
（5）、扫描按键；
（6）进行打开光耦，让升压模块工作；
3程序流程图
1、系统总框图
Vin/Vout
2、程序流程图
四、测试仪器与数据分析
4.1测试仪器
5位半数字万用表，4位半万用表
4．2测试数据与分析
（1）U2=30V条件下对电池恒流充电，电流I1在1-2A变化过程中测量值如下表：
按按键次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I1测量值（A）
1
0.99
1.01
1.06
1.07
1.10
1.12
1.14
1.16
1.17
，
（2）设定I1=2A，使U2在24-36V范围内变化时，测量记录I1的值。
数据如下：
U2（V）
24
25
26
27
28
29
30
31
32
36
I1（A）
1.99
1.98
1.98
1.99
1.97
1.98
1.99
1.96
2.01
1.99
（3）设定I1=2A，在U2=30V，测量U1，I2，计算效率。
数据如下：
当I1=2A，U2=30V时，测得I2=1.47A，U1=20V，由此计算效率为97%。
（4）放电模式下，保持U2=30V，计算效率，数据如下：
当U2=30V时，I2=1.02A，U1=18.9V，I1=0.63A，由此计算效率为98%。
（5）使US在32-38V范围内变化时U2记录如下：
Us/V
32
33
33
34
35
36
37
U2/V
29.7
29.8
29.8
29.9
29.8
30.3
30.4
以上数据可以说明，本次设计的双向DCDC变换器，各项指标均在题设范围内，是符合要求的。
附录1：
电路原理图
附录2：
源程序
#include
#include
#include
unsignedcharReadADC（unsignedcharChl）;//AD采样，有返回值
voidDAC（unsignedcharData）;//DA输出
voiddelay（unsignedcharj）;//
unsignedintdatpro（void）;//电压采样数据处理
voidled（intg,inta）;//数码管显示
voidout_AD_led（）;//输出采样电压1
voidDA_out（）;//DA输出控制
sbitkey_1=P3^4;
sbitkey_2=P3^5;
sbitduan=P2^6;
sbitwei=P2^7;
sbitin0=P3^2;
unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
unsignedcharnum=102;//DA数模输出变量初始值
intmain（）
{
while
（1）
{
DA_out（）;
DAC（num）;
out_AD_led（）;
}
}
voidout_AD_led（）//
{
led（1,datpro（）/1000）;
led（2,datpro（）%1000/100）;
led（3,datpro（）%100/10）;
}
unsignedcharReadADC（unsignedcharCh）//读取AD模数转换的值，有返回值
{
unsignedcharData;
Start（）;//写入芯片地址
Send（AddWr）;
Ack（）;
Send（0x40|Ch）;//写入选择的通道，本程序只用单端输入，差分部分需要自行添加
//Ch的值分别为0、1、2、3，分别代表1-4通道
Ack（）;
Start（）;
Send（AddRd）;//读入地址
Ack（）;
Data=Read（）;//读数据
Scl=0;
NoAck（）;
Stop（）;
returnData;//返回值
}
unsignedintdatpro（void）//
{
unsignedintdianyah,dianyal;
unsignedintdianya=0;
unsignedcharx;
for（x=0;x<6;x++）
{
dianya=ReadADC
（1）+dianya;//输入通道选择通道
}
dianya=dianya/6;
dianyah=dianya&0xf0;
dianyah=dianyah>>4;
dianyal=dianya&0x0f;
dianya=dianyal*20+dianyah*310;
return（dianya）;
}
voidDA_out（）//
{
if（key_1==0）
{
delay（10）;
while（key_1==0）;
num=num-1;
}
if（key_2==0）
{
delay（10）;
while（key_2==0）;
num=num+1;
}
}
voidDAC（unsignedcharData）//
{
Start（）;
Send（AddWr）;//写入芯片地址
Ack（）;
Send（0x40）;//写入控制位，使能DAC输出
Ack（）;
Send（Data）;//写数据
Ack（）;
Stop（）;
}
voidled（intg,inta）//
{
if（g==1）
{
P0=0Xfe;
wei=1;
wei=0;
P0=table[a];
duan=1;
delay
（2）;
duan=0;
}
if（g==2）
{
P0=0Xfd;
wei=1;
wei=0;
P0=table[a]|0x80;
duan=1;
delay
（2）;
duan=0;
}
if（g==3）
{
P0=0Xfb;
wei=1;
wei=0;
P0=table[a];
duan=1;
delay
（2）;
duan=0;
}
P0=0Xf7;
wei=1;
wei=0;
P0=0x3e;
duan=1;
duan=0;
}
voiddelay（unsignedcharj）//
{
unsignedinti;
for（;j>0;j--）
for（i=0;i<125;i++）;
}
#include
#defineAddWr0x90//写数据地址
#defineAddRd0x91//读数据地址
sbitRST=P2^4;//关掉时钟芯片输出
sbitSda=P2^0;//定义总线连接端口
sbitScl=P2^1;//时钟信号
voidStart（void）//启动IIC总线
{
Sda=1;
_nop_（）;
Scl=1;
_nop_（）;
Sda=0;
_nop_（）;
Scl=0;
}
voidStop（void）//停止IIC总线
{
Sda=0;
_nop_（）;
Scl=1;
_nop_（）;
Sda=1;
_nop_（）;
Scl=0;
}
voidAck（void）//应答IIC总线
{
Sda=0;
_nop_（）;
Scl=1;
_nop_（）;
Scl=0;
_nop_（）;
}
voidNoAck（void）//非应答IIC总线
{
Sda=1;
_nop_（）;
Scl=1;
_nop_（）;
Scl=0;
_nop_（）;
}
voidSend（unsignedcharData）//发送一个字节
{
unsignedcharBitCounter=8;
unsignedchartemp;
do
{
temp=Data;
Scl=0;
_nop_（）;
if（（temp&0x80）==0x80）
Sda=1;
else
Sda=0;
Scl=1;
temp=Data<<1;
Data=temp;
BitCounter--;
}
while（BitCounter）;
Scl=0;
}
unsignedcharRead（void）//读入一个字节并返回
{
unsignedchartemp=0;
unsignedchartemp1=0;
unsignedcharBitCounter=8;
Sda=1;
do
{
Scl=0;
_nop_（）;
Scl=1;
_nop_（）;
if（Sda）
temp=temp|0x01;
else
temp=temp&0xfe;
if（BitCounter-1）
{
temp1=temp<<1;
temp=temp1;
}
BitCounter--;
}
while（BitCounter）;
return（temp）;
}
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