全国大学生电子设计竞赛双向DCDC变换器A题设计报告文档格式.docx
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自动;
可控;
充电
ABSTRACT
ThissystemintroducesthebasicprincipleandrealizationmethodofakindofbidirectionalDC-DCconverter.ThePWMwavegeneratedbytheSG3525chipisintroducedintothecircuitbythetransistor,drivingtheMOSFETtube,makingitshutofforon,sothatthevoltageisraisedorlowered.Atthesametime,thesignalcanbemonitoredbyasinglechipmicrocomputertocontroltherelayselectiondischargeorchargingmodetokeepthecircuitundernormalcircumstances.Whenthechargingvoltageexceedsthelimit,thesinglechipmicrocomputercanautomaticallydisconnectthemaincircuittoprotectthesystemsecurity.Inaddition,thesystemisdesignedwithhighaccuracyrequirements,sothattheoutputcurrentiscontrolled,andthestepvalueislessthan0.1A.Inthesystem,theselectionofthecomponentsofthesystemisthestandard,whichimprovesthesystem'
slowpowerconsumptioncharacteristics,sothatthesystem'
sefficiencyisthehighest.Thesystemhasbeensimulatedandtheexperiment,thebasiccompletionoftherequirements.
Keyword:
DC-DCtransform;
Lowloss;
Automatic;
Controllable;
Charge
第一章方案论证
1.1论证比较
1.1.1实验方案选择
方案一:
双向半桥DC-DC变换器
双向DC-DC变换器电路如图1-1所示。
通过控制开关T1和T2,达到双向直流升压与降压的目的。
在升压运行时,T2动作,T1截止,变换器工作在Boost状态;
当T1动作,T2截止时,变换器工作在Buck状态,实现降压功能。
图1-1双向半桥DC-DC变换器
方案二:
双向反激DC-DC变换器
双向DC-DC变换器电路如图1-2所示。
通过控制Q1和Q2开关,实现变换器工作模式的转换。
在升压运行时,Q1导通,Q2关断,N2同名端为正极,二极管反偏截止,所以电感变压器此时作为电感运行,电能存储在N2中,由输出电容向负载供电;
当Q1关断,Q2导通时,变压器各线圈感应电势反号,同名端为负,迫使二极管导通,电感能转为电场能量向负载放电和向电容充电。
同理,相反步骤下为降压运行。
图1-2双向反激DC-DC变换器
方案三:
双向恒流DC-DC变换器
该变换器分为恒流源和恒压源两部分电路,由开关控制两部分的通断,来实现升压和降压的功能,最终实现DC-DC变换的目的。
经比较,方案三较为简单,易于实现,能尽量较少元器件的相互影响。
故选择方案三作为本次实验方案。
1.1.2脉冲发生模块的选择
SG3525
SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片,它简单可靠及使用方便灵活,输出驱动为推拉输出形式,增加了驱动能力;
内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器,有过流保护功能,频率可调,同时能限制最大占空比。
TL494
TL494是一种固定频率脉宽调制电路,它包含了开关电源控制所需的全部功能,广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
经比较,SG3525能满足本次实验的所需功能且较TL494稳定、简单,故选择SG3525作为本次实验的PWM控制芯片。
1.2方案描述
经过论证,本次实验采用SM2535芯片产生PWM来供给DC-DC模块来控制输出电压的高低,并由STM32单片机检测所需检测的电压电流,进而控制DC-DC模块的工作模式,实现比赛所要求的各项目的。
第二章电路与程序设计
2.1系统结构框图
2.1.1主系统
图2-1系统结构框图
2.1.2子系统与器件选择
(1)升压电路模块
图2-2XL6009BOOST电路
(2)基于VAS1210降压电路模块
图2-3VAS1210原理图
(功率路径:
MOS闭合时,绿线表示;
MOS断开时,红线表示。
)
2.2器件选择
(1)电容的选择
输入电容:
22uF或者更大。
(2)肖特基二极管的选择
肖特基二极管:
电流能力须大于输出电流,且反向击穿电压要大于输入电压。
2.3程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。
(1)键盘实现功能:
设置电流的比例
(2)显示部分:
显示电压值和电流值
(3)程序设计思路
在系统中,软件的主要作用是完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果显示等功能,设计相对简单。
第三章理论分析与计算
3.1参数的计算
3.1.1电感的计算
电感量的选择直接关系到系统的工作频率,电感量大则工作频率低,电感量小则工作频率高。
大的感量可降低频率从而减小NMOS上的开关损耗,但对于相同体积电感,感量越大电感的绕线电阻也越大,则电感上的损耗也越大。
系统工作频率的计算:
3.1.2开关频率的计算
开关频率和MOS管的功耗有很大的关系,频率越高,产生的损耗越大。
较低的电路工作频率可以降低MOS管的开关损耗,但输出电压脉动会增大,因此应在允许的频率范围内选择较低的频率。
合适的开关频率大致处于20KHz与60KHz之间,本系统选取开关频率为30KHz,可以降低损耗。
3.1.3其他外围参数选择
外置增强型N-MOSFET:
芯片Gate驱动电压为10V,要选取栅耐压>
10V的MOS管,且VDS击穿电压要大于输入电压,饱和电流要大于输出电流,导通电阻关系到工作效率问题,MOS管消耗功率为:
3.1.4输出电流设置
芯片输出电流大小可通过选择检测电阻RSNS来设置,输出平均电流大小与RSNS关系为:
芯片输入电流、电压与输出电流、工作效率关系可表示如下:
第四章测试方案与测试结果
4.1测试方案及测试条件
4.1.1测试方案
(1)硬件测试
首先,将硬件主电路分成两个模块分开测试,测试输入电压、电流与输出电压、电流之间的关系。
经测试各模块符合要求后,加入控制模块进行测试,最后将各个模块合并再次进行测试,分别以此测试所要求项目。
(2)软件仿真测试
BOOST升压电路仿真
4.1.2测试条件
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:
高精度的数字毫伏表,数字示波器,数字万用表。
4.2测试结果及其分析
4.2.1测试结果
当电压U2不变时,测量改变占空比对充电电流I1幅值的影响过程。
U2=30V
占空比α(%)
40
42
44
46
48
50
52
54
56
电流I1(A)
1.24
1.28
1.32
1.36
1.39
1.43
1.47
1.50
1.53
58
60
62
64
66
68
70
72
74
1.58
1.61
1.65
1.70
1.73
1.77
1.80
1.83
1.86
调整电压U2的幅值,观察充电电流I1的变化过程。
电压U2(V)
25.6
26.2
27.1
28.9
29.8
31.2
32.5.
33.1
34.9
2.00
1.99
2.01
4.2.2测试分析
根据上述测试数据,由此可以得出以下结论:
(1)当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0.1A,电流控制精度不低于5%。
(2)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,充电电流I1的变化率不大于1%。
综上所述,本设计达到设计要求。
附录1:
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