发布时间 : 星期日 文章2015年全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告 - 图文更新完毕开始阅读
控制单片机使用STM32，有很高的工作速度、丰富的外围资源，可以很好地完成系统控制任务。
2系统理论分析与计算
2.1 电路设计与分析
2.1.1 提高效率的方法
在电路的设计过程中，找到了影响系统效率的主要因素有三点：功率变换器开关器件的开关损耗；感性元件的铁损和铜损；控制电路的损耗。.
所以提高系统效率，我们可以从这三方面出发。
1．开关器件的损耗不可避免，但是可以采用低功耗的开关管和二极管。采用MOS管做为开关管，IRF540型MOS管开关损耗小，其只在导通期间由开关损耗，适合频率比较高的工作场合。采用肖特基二极管做为续流二极管，耐压高，损耗小。如此选择器件可以降低开关器件的损耗，提高系统效率。
2.通过理论和实践验证，电感越大，纹波电流越小，电感损耗越大。所以在满足要求的条件下减小电感，并且严格按照要求绕制电感，减小磁隙，线圈紧凑等。
3.在焊接时合理安排布局，减少开关信号走线的连接，可以在布局布线上减小损耗。 2.1.2 控制回路分析
1.恒流输出：在输出端检测采样电阻的电压，因为信号很小，经过20倍放大送至单片机，单片机将处理结果，经误差放大器送至XL4016的反馈端FB。FB与内部1.25V基准电压比较，控制PWM信号，进而达到控制输出电流。经过闭环负反馈系统控制，可以使输出电流恒定，起到了过流保护作用。
2.自动切换：由单片机采集30欧负载两端电压，当电压低于30V时，系统工作在放电模式；当电压高于30V时，系统工作在充电模式。此外，还可以手动切换工作模式。
3.液晶显示：使用12864液晶屏，显示电池组的充电电流和充电电压。充电电压是采集XL4016输出端的电压，当电压大于24V时，断开充电模式。充电电流同XL4016反馈的电流信号，在单片机内部换算并显示。
2.2 控制方法分析
UC3843是高性能固定频率电流模式控制器，电压负反馈均衡控制，每周期由斜波电流峰值关断。UC3843的振荡频率由RT/CT引脚接的电阻电容决定，系统的开关频率为f=1.8（RT*CT）=60KHz。PWM以60 KHz的频率控制开关管的导通截止，电感L储存并释放能量。PWM的占空比越大，开关管的导通时间越长，电感存储的能量越大；相反电感存储的能量越小。
稳压过程有两个闭环系统来控制，分别是恒压输出和过流保护。
恒压输出：在输出端通过电阻分压采集比例电压信号，经电压误差比较器后平滑滤波。积分器的电容大小影响系统的调节速度，即影响指标中输出的动态响应时间。当采
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集的电压小于内部2.5V基准电压，使PWM调节器的输出脉宽增加，从而影响输出电压调节幅度。
2.3 升压、降压电路参数计算
2.3.1 元件选取
1.MOS管的选取
根据主电路中的工作电压及电流，结合MOS管的耐压、耐流及损耗性能，电力晶体管耐压高，且开关损耗大，适合工作频率比较低的场合，电力场效应管耐压比较低，但是开关损耗小，适合频率比较高的工作场合。根据这里的情况，我们选用了。考虑到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐量分别取2.5和2倍裕量，即应选取耐压高于40V，最大电流33A。实际选用IRF540型MOS管。
2.二极管的选取
为降低续流二极管的导通压降，减少功率损耗，提高效率，选用肖特基二极管作为续流二极管。根据主回路中的工作电压及电流，结合肖特基二极管的耐压、耐流及损耗性能，选用IN4746耐压40V最大电流为30A。 2.3.2 电感计算
1.CCM工作模式下MOS开关管占空比D的计算：
D?UO-UI20-10??0.5 UI202.当输出最大负载时若要使电流连续，则：
L?US2?Ui?US?D?1?D?2?10?0.9??0.5?0.5??56?H 3I0f1?82?10为开关导通时的压降和电流取样电阻上的压降之和，取06~0.9V
设电感纹波电流为平均电流的30%，即：
?IL?0.3IL?CCM???0.6A
所以电感值：
L??Ui?US?D?10?0.9??0.5??92?H?ILf0.6?82?103
电感的设计包括磁芯材料、尺寸选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。而选用线径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温升。
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3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示，主要包括DC-DC降压充电模块、DC-DC升压放电模块、MCU控制模块、显示单元、转换开关、稳压电源、电池组七部分组成。本系统可实现手动和自动充放电模式选择。
DC-DC降压充电模块 电池组 转换开关 转换开关 MCU控制 DC-DC升压放电模块 显示 直流稳压电源
图1 系统总体框图
工作原理：转换开关调整为充电模式，直流稳压电源输出大于30V电压，经降压模块以小于24V电压、2A恒定电流为电池组充电。当转换开关调整为放电模式时，电池组输出电压经UC3843升压模块达到30V为负载供电。 3.1.2 充电系统原理
充电系统那个框图如图2所示。
Buck调整器 PWM控制器 Vin误差比较 MCU控制 放大器 采样电阻 Vout 图2 充电系统框图
采用XL4016做Buck调整，FB脚接电流负反馈。由0.05电阻将电流信号转变为电压信号，并放大20倍，这时就将电流的误差也放大，使误差判断器更准确的判断误差。单片机采集放大后的电流信号并给出基准电压，误差放大器判断将结果送入FB端，
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控制输出电压的变化，从而达到控制电流。 3.1.3 放电系统原理
放电模式时，电池作为电源通过变换器提供高压侧负载能量，输出恒定30V电压到负载。因为要求恒压输出，所以引入电压负反馈。反馈回的电压信号接到UC3843电压反馈端，与内部基准电压比较，控制PWM波脉宽，因此达到控制输出电压的目的。
电池组 V1 开关管 PWM驱动 采样电阻 负载 Vo 图3 放电系统框图
PWM控制开关管导通，电感以v/L速度充电，把能量储存在L中。当开关管截止时，L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以（U-Vo）／L的速度释放到输出电容器Cs中。输出电压由传递的能量控制，传递的能量通过电感电流的峰值控制。开关信号的频率为60KHz，可以达到稳定输出30V电压。
单片机采集负载电压，判断如果电压小于30V则转换充电模式，否则为返点模式，因此到到自动切换目的。
3.2程序的设计
3.2.1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主要实现AD采集、键盘设置和显示。
1）AD采集：恒流充电电流采样，过压保护电压采样，自动切换电压采样。 1）键盘实现功能：步进调节充电电流。 2）显示部分：显示充电电流、输出电压。
2、程序设计思路
单片机上电后，实时采集充电电流，在单片机内部进行运算，通过液晶屏显示。充电时单片机采集到电池充电电压，判断如果电压大于24V，则单片机控制开关断开，停止充电。放电时，单片机采集负载两端电压，判断电压是否大于30V，如果大于则系统切换为充电模式，否则为放电模式。 3.2.2程序流程图
主程序流程图如图所示，自动切换子流程图如图所示。
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