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，
7 H3 F' C* x; d" G( G" c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
0 P. B$ s9 p6 _" q: g" y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）
  z; G- u( B* _1 V6 L0 p【本科组】
7 v% F+ |1 I- d, M5 j0 K! T1 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
- W' X2 h' N( o9 v# \4 ?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
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
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，
- f% }2 L! I( V( d' @这里不能采用线性电源。
1 j% \* u6 i. B$ K% m9 M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
3 Q7 F2 q7 t: z! D' }( s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，
实现起来难度不大。
, @$ h5 t5 x' e$ S( J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
( R! ~6 O' M7 `# k0 k, g/ s' J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
" O+ L8 `- w, d" H" f5 K* D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
路。
; T! p( w: z! h& l综合以上分析，选择方案三。
1.2 系统组成及控制方法
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
2 ?! N$ |6 T' {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
: D% p! p8 F7 }, I% Q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
) g. e- I; U. {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
7 e; W3 i4 p( r/ ~$ s! {; n灵。
5 n* m3 j0 G4 u/ U- k$ B2 A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
& @) y! |2 P& n. j3 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
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。
( P$ d( z3 H( I) \2 T, @( X6 @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
) x  ]1 m0 r: P# X$ j% |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
  v& o) t, R) |1 o6 Y1 V2 ^2 ?制灵敏度，在单片机参与时需要较多改动。
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，
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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。
3 i. a1 j( D- t( s; W2 系统理论分析与计算
% B7 e! D# @9 I7 G9 f2.1 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
  |5 `! ?/ n1 Y. j/ k! w0 N( G件的开关损耗；感性元件的铁损和铜损；控制电路的损耗。.
- x% [3 l* M0 L! a$ y所以提高系统效率，我们可以从这三方面出发。
/ u5 f' ]9 O& R0 r1．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
' W6 w. s" {5 \& f5 y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
# S  r9 b7 {9 g7 w件可以降低开关器件的损耗，提高系统效率。
2 t6 n  V) u5 H* K2.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
9 P. `$ a: ?# y0 }* v8 B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
3 Y; J* c; l7 L2 v& e; u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
0 p* l. ~$ E. o  y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，
9 ]0 \% o7 O* d! o6 q可以使输出电流恒定，起到了过流保护作用。
  k7 R$ I# v& M/ N8 H& ^1 s0 Z# m2.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
: D* q& I8 f: R% Q, I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。
1 U' P) w6 I) @( \+ u3.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
4 N! A9 y4 e3 j* w5 ^反馈的电流信号，在单片机内部换算并显示。
, V! H4 w* r( W7 \# L0 E8 E2.2 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
/ `7 z6 ?+ B. P& t: w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；
. k$ O; p9 x" b5 n! H+ T& B相反电感存储的能量越小。
1 j- J0 e$ Y) k9 y7 t* }: i- E4 P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
8 [: x* o2 ?; A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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0 C( e- P- _- n/ a  ~7 d( D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
+ [" z! m8 `  ^! ]0 b: u压调节幅度。
) `# ~  S: J  K7 l! \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
. L" _) N( @3 D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。
0 X4 t( L" ]1 I. @- S# o( q2.二极管的选取
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
, y" e9 j- n8 c! S# Z' j! ]2 D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
- c( m) J" P; g- D( D: w- c性能，选用IN4746 耐压40V 最大电流为30A。

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