2015年全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告资料

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本系统以Buck 和Boost 并联，实现双向DC-DC 交换，以STM32 为核心控
制芯片。Buck 降压模块使用XL4016 开关降压型转换芯片，通过单片机闭环实
现恒流输出控制。放电回路选择Boost 升压模块，以UC3843 作为PWM 控制器，
. a8 H; G) y, f3 x5 q) ?) R* Y7 X组成电压负反馈系统，通过调整PWM 的占空比，实现稳压输出。系统能自动检
) {6 @) C% m4 Q5 ?% ^& x3 ~测外部电源电压变化， 在负载端电源较高时自动切换成充电模式， 反之切换为放
电状态。系统具有过流、过压保护功能， 并可对输出电压、电流进行测量和显示。
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双向DC-DC 变换器（ A 题）
' F, O- {$ z- G5 a2 H+ t3 h( s: |【本科组】
1 系统方案
系统要求效率， 所以恒压输出、稳流输出都应采用开关电路， 鉴于本题目要求的功
能，系统主要由恒压控制模块、恒流控制模块组成，另为了灵活调整输出参数并实时监
  H, W6 X1 Q& K( U; t控系统工作状态，运用单片机控制技术，还有支持系统控制系统工作的辅助电源。
1.1 升、降压电路的论证与选择
( e* Y8 E* x4 ^  G) j方案一：采用线性电源电路。线性控制电路控制简洁，输出波形指标良好，电路简
5 k, M5 u, l, ]+ c. P! ?单，但缺点是效率极低， 在当前的大功率电源应用场合已被淘汰， 因题目对效率的要求，
这里不能采用线性电源。
方案二：正激、反激变换器。电源调整管工作在开关状态，优化调整后其效率远高
' y1 U( n6 V4 }* x1 ?0 N! u于线性电源；且有可以有灵活的参数设计满足不同的需求； 有大量产品级方案可供借鉴，
* H4 h5 y) x) ?  l实现起来难度不大。
2 f# G/ J; i8 ?5 ?: u8 v: g方案三：当前流行的开关电源大多基于Buck、Boost 基本电路拓扑结构或他们的结
合，在对题目进行仔细分析后，系统需求的尽是升压和降压，在Buck、Boost 基础上附
加反馈控制就可完成任务，这样还可以省略繁杂的变压器参数设计，因电路简洁实现起
2 P$ l' q  D3 @+ I来更加容易。并且因为使用较少的常规元件，节省成本提高可靠性，符合产品设计的思
. l& f9 Q! W* l" p路。
综合以上分析，选择方案三。
5 p- Q2 v! z: x1 X8 \* b( t1.2 系统组成及控制方法
) ~1 X/ ?7 E3 \& ?" J/ Q方案一：系统由Buck、Boost 模块实现升压、降压任务，各模块所需PWM 信号的
由单片机提供，单片机AD 采集实时输出量，经运算后通过改变占空比调整模块工作状
态。该方案电路最简单，各种控制灵活，缺点有单片机运算量过大，开关信号占空比受
单片机限制，浮点运算的时延影响电路跟随，另外单片机容易受到功率管开关干扰而失
灵。
方案二：使用振荡器、比较器产生PWM 波，由负反馈电路实现输出控制，单片机
' q4 e8 V# m. ?, l, `: k0 f: Z负责状态切换和测量显示，该方案原理易于理解，但自己装调的PWM 电路在开关时容
3 v/ b2 X5 v, f6 V' E. a易出现振铃毛刺，直接影响了系统效率，并且要完善反馈控制对回馈信号要求较高。
方案三：借用现有成熟PWM 控制器，该类集成电路输出波形好，工作稳定，都具
备至少一个反馈控制引脚，按照厂商提供的典型电路就可装调出应用电路。但这类电路
一般针对专用场合设计，借用时需要较多设计计算，特别是该类芯片的反馈有极高的控
制灵敏度，在单片机参与时需要较多改动。
) J# |1 o# {9 |* \; q4 Q) x为提高系统性能选择方案三， 降压回路使用XL4016，升压回路以UC3843 为核心，
2
2 @4 r. H  [6 _. c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。
" O! V3 V" D: c7 \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。
* Y/ h8 ]/ o; l5 j2 z; ~0 e2.1.2 控制回路分析
/ O7 w, x4 \1 _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
0 d5 H* C% e% M9 L" T) g& h$ ^. r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。
, T( [# ^  z8 T5 h0 H2.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
  h! g# }( t% D  m& V8 o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。
# f% g7 ^5 L& _8 |- i7 b$ ?9 Z3.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
0 i+ ]) b( @( u( _, P5 R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
( t& i" \! u: Q0 N' ?2 G% i' D8 E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
9 p' m0 q4 B* w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。
1 n! X9 n" r6 x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
- J1 p' }- q% |: e1 Y/ x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
4 g) I4 i% P% A, [压调节幅度。
$ ^5 G* a3 ]3 c) c) E8 ?, K. {% G1 M4 R2.3 升压、降压电路参数计算
  {  N' L% k! T' O2.3.1 元件选取
1.MOS 管的选取
5 F/ ~0 ^, O7 W# V  X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，
, M: q! D5 x' @* L5 F5 q8 h0 k- Z, p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
+ ]4 |- Y: ~  u! g9 _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。
3 b6 \9 f0 Q7 S2 U) u2.二极管的选取
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
5 J% E. n# i: X* a# j3 I# E: @' A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。

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