20xx年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽雙向dcdc電源設(shè)計(jì)報(bào)告-在線瀏覽
2025-02-18 17:07本頁面
【正文】 .......... 9 1 雙向 DCDC 變換器 （ A 題） 【 本科 組】 1 系統(tǒng)方案 系統(tǒng)要求效率，所以恒壓輸出、穩(wěn)流輸出都應(yīng)采用開關(guān)電路，鑒于本 題目要求 的功能， 系統(tǒng)主要由 恒壓控制模塊、恒流控制模塊組成，另為了靈活調(diào)整輸出參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，運(yùn)用 單片機(jī)控制 技術(shù)，還有支持系統(tǒng)控制系統(tǒng)工作的輔助電源。 線性控制電路控制簡潔，輸出波形指標(biāo)良好，電路簡單，但缺點(diǎn)是效率極低，在當(dāng)前的大功率電源應(yīng)用場合已被淘汰， 因題目對效率的要求，這里不能采用線性電源 。電源調(diào)整管工 作在開關(guān)狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)整后其效率遠(yuǎn)高于線性電源；且有可以有靈活的參數(shù)設(shè)計(jì)滿足不同的需求；有大量產(chǎn)品級方案可供借鑒，實(shí)現(xiàn)起來難度不大。并且因?yàn)槭褂幂^少的常規(guī)元件，節(jié)省成本提高可靠性，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思路。 系統(tǒng)組成 及 控制 方法 方 案一： 系統(tǒng)由 Buck、 Boost 模塊實(shí)現(xiàn)升壓、降壓任務(wù)，各模塊 所需 PWM 信號 的由 單片機(jī)提供，單片機(jī) AD 采集實(shí)時(shí)輸出量，經(jīng)運(yùn)算后通過改變占空比調(diào)整模塊工作狀態(tài)。 方案二： 使用振蕩器、比較器產(chǎn)生 PWM 波，由負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)輸出控制，單片機(jī)負(fù)責(zé)狀態(tài)切換和測量顯示，該方案原理易于理解，但自己裝調(diào)的 PWM 電路在開關(guān)時(shí)容易出現(xiàn)振鈴毛刺，直接影響了系統(tǒng)效率，并且 要完善反饋控 制對回饋信號要求較高 。 但 這類電路一般針對專用 場合 設(shè)計(jì) ，借用時(shí)需要較多設(shè)計(jì)計(jì)算，特別是該類芯片的反饋有極高的控制靈敏度，在單片機(jī)參與時(shí)需要較多改動(dòng)。 2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 電路設(shè)計(jì) 與 分析 提高效率的方法 在電路的設(shè)計(jì)過程中，找到了 影響系統(tǒng)效率的主要因素有 三點(diǎn) ：功率變換器開關(guān)器件的開關(guān)損耗；感性元件的鐵損和銅損；控制電路的損耗。 1．開關(guān)器件的損耗不可避免，但是可以采用低功耗的開關(guān)管和二極管。采用肖特基二極管做為續(xù)流二極管，耐壓高，損耗小。 ，電感越大， 紋波電流越小，電感損耗越大。 ，減少開關(guān)信號走線的連接，可以在布局布線上減小損耗。 FB 與內(nèi)部 基準(zhǔn)電壓比較，控制 PWM 信號，進(jìn)而達(dá)到控制輸出電流。 ： 由單 片機(jī)采集 30 歐負(fù)載兩端電壓， 當(dāng)電壓低于 30V 時(shí)，系統(tǒng)工作在放電模式 ；當(dāng)電壓高于 30V 時(shí)，系統(tǒng)工作在充電模式。 ：使用 12864 液晶屏，顯示電池組的充電電流和充電電壓。 充電電流同 XL4016反饋的電流信號，在單片機(jī)內(nèi)部換算并顯示。 UC3843 的振蕩頻率由 RT/CT 引腳接的電阻電容 決定，系統(tǒng)的開關(guān)頻率為 f=（ RT*CT） =60KHz。 PWM 的占空比越大，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間越長，電感存儲(chǔ)的能量越大；相反電感存儲(chǔ)的能量越小。 恒壓輸出 ： 在輸出端通過電阻分壓采集比例電壓信號， 經(jīng)電壓 誤差比較器 后平滑濾波 。 當(dāng)采 3 集的電壓小于內(nèi)部 基準(zhǔn)電壓， 使 PWM 調(diào)節(jié)器的輸出脈寬 增加，從而影響輸出電壓調(diào)節(jié)幅度 。根據(jù)這里的情況，我們選用了。實(shí)際選用 IRF540 型 MOS 管。根據(jù)主回路中的工作電壓及電流，結(jié)合肖特基二極管的耐壓、耐流及損耗性能，選用 IN4746 耐壓 40V 最大電流為 30A。電路工作時(shí)重要的是避免電感飽和、溫升過高。而選用線徑大的導(dǎo)線繞制電感，能有效降低電感的溫升。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)充放電模式選擇。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)整為放電模式時(shí)，電池組輸出電壓經(jīng) UC3843 升壓模塊達(dá)到 30V 為負(fù)載供電。 圖 2 充電 系統(tǒng)框圖 采用 XL4016 做 Buck 調(diào)整， FB 腳接電流負(fù)反饋。單片機(jī)采集放大后的電流信號并給出基準(zhǔn)電壓，誤差放大器判斷將結(jié)果送入 FB 端，Buck 調(diào)整器 PWM 控制器 MCU 控制 誤差比較 放大器 Vin Vout 采樣電阻 DCDC 降 壓充電模塊 DCDC 升壓放電模塊 MCU 控制 電池組 直流穩(wěn)壓電源 轉(zhuǎn)換開關(guān) 轉(zhuǎn)換開關(guān) 顯示 5 控制輸出電壓的變化，從而達(dá)到控制電流。因?yàn)橐蠛銐狠敵觯砸腚妷贺?fù)反饋。 圖 3 放電 系統(tǒng)框圖 PWM 控制 開關(guān)管導(dǎo)通 ，電感以 v/L 速度充電，把能量儲(chǔ)存在 L 中。輸出電壓由傳遞的能量控制，傳遞的能量通過電感電流的峰值控制。 單片機(jī)采集負(fù)載電壓，判斷如果電壓小于 30V 則轉(zhuǎn)換充電模式，否則為返 點(diǎn)模式，因此到到自動(dòng)切換目的。 1） AD 采集： 恒流充電電流采樣，過壓保護(hù)電壓采樣，自動(dòng)切換電壓采樣。 2）顯示部分：顯示 充電電流 、 輸出電壓 。充電時(shí)單片機(jī)采集到電池充電電壓，判斷如果電壓大于 24V， 則單片機(jī)控制開關(guān)斷開，停止充電。 程序流程圖 主程序流程圖 如圖所示，自動(dòng)切換子流程圖如圖所示。 （ 2）電路效率測量： DCDC 變換器效率 100%PP211 ???， 100%PP2 12 ???。判斷是否能在 24V 時(shí)停止充電。 硬件軟件聯(lián)調(diào) 軟件仿真結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，分析 差異原因，找出改進(jìn)方案。 測試儀器： 直流穩(wěn)壓電源、信號源、 模擬示波器 、 數(shù)字示波器 、 數(shù)字萬用表 、 指針式萬用表。充電電流 I1 在 1~2A 范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值不大于 ，電流控制精度不低于 5%。 結(jié)果如表 2。停止充電。 表 3：過保護(hù)功能測試 充電電壓 V 狀態(tài) 23 充電 斷開 ，輸出 穩(wěn)壓性能測試。 表 4： 放電穩(wěn)壓測試 電池 （ V） 18 19 20 21 22 23 放電（ V） 測試分析與結(jié)論 根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論： 在充電模式下，電流步進(jìn)值不大于 ，誤差精度小于 5%。 具有 過程保護(hù)功能 和較 高的變換器效率 ?？梢宰詣?dòng)切換。 8 附錄 1：電路原理 及實(shí)物 220ufC5105C61uC1GND1FB2SW3VC4VIN5U1XL401647UHL1R8D1D ZenerVCC223C4D2恒流亮18KR210KR65V200K R7C10101電池C14471C13202C9103213Q1MOSFETN90uHL2COMP1VFB2ISENSE3RT/CT4GND5OUTPUT6VCC7Vref8U2UC3843470uFC1150v104C12Cap電池1KVR1RPotR533029VGNDGND_9V1P1SIP11P2SIP1R1330R43301
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