DC-DC双向变换器

完成人：石永健（

DC-DC双向变换器（A题）

电子三班 201340602081） 年8月14

I

2015

摘 要

本系统以同步整流升降压电路为主，采用MSP430F5525单片机为控制核心。正向可以作为BUCK降压电路为电池充电，反向则可作为BOOST升压电路放电，经AD采样后由单片机调整PWM波输出，实现反馈控制。实验结果表明：当输入在24~36V条件下，充电时，充电恒流值十分稳定，电流控制精度为0.5%，充电电流变化率不大于0.5%，效率可高达96%。充电时，变换器效率高达97%。此外本系统还有充电电流显示，过充保护，自动切换等功能。

关键词：DC-DC双向变换；MSP430F5525；PWM反馈；恒流充电；同步整流

II

目录

1. 方案论证 .................................................................. 4

1．1双向变换电路的论证与选择 .......................................................................................... 4 1.2控制方案的论证与选择 .................................................................................................... 5 1.3驱动方案的论证与选择 .................................................................................................... 5 2．1电路的设计 ...................................................................................................................... 5 2.1.1系统总体框图 ................................................................................................................ 5

2.1.2 电流检测子系统电路原理图 ............................................................................... 6 2.1.3 驱动模块电路原理图 ........................................................................................... 6 2.2程序的设计 ........................................................................................................................ 7

2.2.1 程序功能描述 ....................................................................................................... 7 2.2.2 程序流程图 ........................................................................................................... 7

3. 系统理论分析与计算 ........................................................ 8

3.1主电路的分析 .................................................................................................................... 8

3.1.1同步整流电路的分析 ............................................................................................ 8 3.1.2同步整流电路参数计算 ........................................................................................ 9 3.2恒流充电方案的分析 ........................................................................................................ 9 4. 测试方案与测试结果 ....................................................... 10

4.1测试仪器 .......................................................................................................................... 10 4.2测试方案 .......................................................................................................................... 10 4.3测试结果及分析 .............................................................................................................. 11 5．体会心得 ................................................................. 11 6．参考文献 ................................................................. 11 附录1：电路原理图 .......................................................... 12

III

234 双向DC-DC变换器（A题） 【本科组】 1. 方案论证 1．1双向变换电路的论证与选择 方案一：采用BUCK与BOOST电路分段组合，如图1-1-1和1-1-2。当给电池充电时，采用BUCK降压电路，为锂电池充电。当电池放电时，采用BOOST拓扑，实现升压，将放电电压稳定在30V。然而，由于该方案由多个电路组合，采样和控制比较复杂且效率低。 L1S+D1Vpc+C1V0-负载2 图1-1-1 BUCK电路 34 L1 C2L2D1VpcS-+C1V0• 图 1-1-2 BOOST电路 方案二：采用同步整流拓扑，如图1-1-3。该方案采用两个MOS管交替导通，从正向看过去，该电路为降压电路，从反向看过去，该电路为升压电路。因此，该拓扑无需切换电路即可实现充放电。由于MOS管导通电阻远小于二极管导通电阻，所以该拓扑效率可以达到很高。 234 图1-1-3同步整流电路基本拓扑电路 4 234综合以上两种方案，选择方案二。

1.2控制方案的论证与选择

方案一 利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但就本题而言，不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。

方案二 利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。 综合以上两种方案，选择方案二。

1.3驱动方案的论证与选择

方案一：采用单片机I/0输出直接驱动MOS管。该方案较为简单，但是用单片机驱动G极和S极电压达不到MOS管最低导通电压，并且单片机只有最高只有5V电平，用单片机驱动，MOS管导通速度会很慢，MOS管损耗大，造成效率降低。

方案二：采用专用的H桥驱动IR2110。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具有的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，输出的电源端电压范围10～20V,完全可以满足需求。 综合以上两种方案，选择方案二。

2. 电路与程序设计

2．1电路的设计 2.1.1系统总体框图

放电 DC-DC 双向 放电 电池组 充电 充电 负载 直流稳压源 转换电路 PWM 按键 显示 AD采样反馈 过充保护 电路 MSP430F5525单片机 图2-1-1 系统总体框图

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2.1.2 电流检测子系统电路原理图

电流检测子系统电路如2-1-2，充电电流通过康铜丝电阻采样，经过INA282放大后，送入TLC2543采样，送入单片机处理。

图2-1-2 电流检测子系统电路

2.1.3 驱动模块电路原理图 驱动子系统电路如图2-1-3

图2-1-3 驱动电路

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2.2程序的设计

2.2.1 程序功能描述

1)产生PWM波经过IR2110驱动MOS管，AD采样并反馈 2)键盘实现功能：选择充放电模式，电流步进。 3)显示部分：显示充电电流，放电电压，工作模式。

2.2.2 程序流程图

1）主程序流程图 开始

初始化 按键输入 模式选择 放电模式 充电模式 自动切换模式 状态显示 结束 2-2-2-1主程序流程

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2）子程序流程图

产生PWM波 放电模式 充电模式 自动切换模式 是否过充 产生PWM波

结束 调整PWM波 调整PWM波 产生PWM波 监测U2 监测U2 设定电流预值 U2是否大于30V Y 监测I1 放电模式 N 充电模式 图2-2-2-2子程序流程1 图2-2-2-3 子程序流程2 图2-2-2-4子程序流程3

3. 系统理论分析与计算

3.1主电路的分析

3.1.1同步整流电路的分析

主电路如图3-1-1所示，HO和LO是驱动芯片输出信号，为频率相同相位相反的PWM信号。从正向看，由于Q1和Q2导通的时间相反，即Q1导通Q2关闭，Q2导通，Q1关闭，所以该电路等效于一个BUCK电路，Q2相当于BUCK电路的续流二极管，U1为输入，U2为输出，C1为输出电容。同理，从反向看过去，该电路等效于BOOST电路，U2为输入电压，U1为输出电压，C1为BOOST电路的输出电容。

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图 3-1-1主电路

3.1.2同步整流电路参数计算

1）电感值的计算：

IN （公式3-1-21） LBUINUOU2mIOfUO2其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=40 kHz,输出电压为36V时，LB=530μH，取600μH。

2）电感线径的计算：

最大电流IL取2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由

d2J*（）IL （公式3-1-22 ）

2得d=0.2 mm,工作频率为40kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。

3）电容的参数计算 CBI（OUOUIN） （公式3-1-23） UOfUO其中，ΔUO为负载电压变化量，取20 mV ，f=40kHz,UO=36V时,CB=1465μF,取为2000μF，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。

3.2恒流充电方案的分析

由于随着充电的进行，电池的电压逐渐升高，所以，要想保持恒流充电，需要不断

提高充电电源，从而保证电流不变。本设计通过串联康铜丝电阻，采集康铜丝上的电压，反馈回单片机通过PI算法调节PWM波的占空比，从而保证流过康铜丝上的电流恒定，进而实现了恒流充电。

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4. 测试方案与测试结果

4.1测试仪器

VONTEK可编程直流稳压电源

安捷伦五位半数字万用表滑动变阻器 最大承重5KG电子称

4.2测试方案

1)电流控制精度测试

保持其他条件不变，在U2=30V条件下，测量充电电流在1A到2A范围步进的输出电流。测试三次，如表1所示。

表1 控制精度测试数据 序号 设定值I10/A 实际电流I1/A 1 1.00 1.01 2 1.20 1.20 3 1.40 1.41 2)电流变化率测试

保持其他条件不变，设定电流I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，测量U2 24~36V变化时的充电电流，如表2所示。

表2 电流变化率测试数据 序电压U2/V 充电电流I/A 号 1 36 2.06 2 30 2.04 3 24 2.03 3) 测量精度测试

改变充电电流，记录实际电流和显示电流。测试五次，如表4所示。

表3 测量精度测试数据 序号 实际电流显示电流I1/A I2/A 1 1.10 1.11 2 1.50 1.48 3 1.90 1.

4）自动切换功能测试

调整直流稳压电源输出电压，测量Us在32V到38V范围内变化时的U2，见表5

表4 自动切换测试数据 序号 电压Us/V 电压U2/V 1 32 30.03 2 34 30.05 3 38 30.05 10

5）重量测试 重量=408g。

4.3测试结果及分析

经过计算分析得：

实验结果表明：当输入在24~36V条件下对电池实现恒流充电，充电电流在1到2A范围内步进可调，步进值为0.05，电流控制精度高达0.5%，当输入为24到36V变化时，充电电流变化率不大于0.5%。充电时，变换器效率高达97%，实现了充电电流显示，过充保护等功能。并且变换器具有恒压放电功能，可自动切换工作模式，保持变换器一侧电压为30V ±0.1，重量低于500g’

综上所述，本设计得基本要求和发挥部分的设计要求全部达到。

5．体会心得

这次比赛比的不仅仅是我们的动手能力、编程能力、更比的是我们的创新能力、团队合作力，还有最重要的是毅力，不放弃。比赛过程中，遇到了很多困难，但在较上作品的瞬间就深知，收获最多的不是结果，而是解决问题的过程。经过这四天三夜的奋斗，我们三个人都坚信，这次比赛没有任何遗憾。

6．参考文献

[1] 《电子技术基础 模拟部分》 （第四版） 康华光主编。 北京：高等教育出版 社 2000 年 1 月

[2] 《单片机原理及实用技术——凌阳 16 位单片机原理及应用》. 雷思孝，李伯 成，雷向丽.。西安：西安电子科技大学出版社，2005 年 [3] 《C 语言程序设计》（第二版） 谭浩强。 北京：清华大学出版社 [4] 《微型计算机控制技术》 于海生等。 北京：清华大学出版社 [5] 《电工技术与电子技术.》 王鸿明。 北京：清华大学出版社

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附录1：电路原理图

同步整流电路

IR2110驱动电路

电流采样电路

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过充保护电路

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