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
, R# P" M& u( x( |/ `! v) n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
! W" |" l  Z% o1 t* Q: C, I0 |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，
/ i, X4 B7 t3 h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
  P6 ]& l8 ^+ N/ s! f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。

" m1 k1 N/ T, D% i双向DC-DC 变换器（ A 题）
8 J. O8 @; @" R4 ]【本科组】
, @* `. d# X% K1 D' S: f1 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
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。
& @) u% n5 m: W: y# c5 h1.1 升、降压电路的论证与选择
1 ?! G- C& S6 ?5 l2 ]2 B/ W8 n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，
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
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。
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
) W& s* f, a7 a2 S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
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
( E& l7 d1 Q/ t0 M8 X0 r5 B. X路。
+ J! L4 t1 t" C/ H6 z. R综合以上分析，选择方案三。
% t$ L, i3 f3 _2 D3 g7 j% I( h1.2 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
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
6 O4 g6 G. n6 E8 V6 S9 h- M4 m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
% S3 ], U4 S/ w4 I6 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
% [! S/ l/ u1 E- [* U. i; `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
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
* E  z0 O9 ]$ o/ `! u% X" ]) y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。
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。
: `- P4 m: o7 g" l2 系统理论分析与计算
2.1 电路设计与分析
; V8 w0 q( J1 b2.1.1 提高效率的方法
3 u) w* v. u- _% u% r' x6 @1 y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。.
; w/ d) {/ r: n' S  Z+ H, j9 p所以提高系统效率，我们可以从这三方面出发。
2 G% ~: K( k/ }# O/ z: I" b1．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
; q: a5 k, M* J9 L4 F) C' {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
" F+ q  D' e; t" Q/ V: [! P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。
1 b% y2 T  h' t6 G3 o2.1.2 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
1 O+ J* u/ E# G9 J/ _8 G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。
! M0 i: S  n8 T" _8 p( I2.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 _& Z; f" Z: F% Y* f3.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
8 L# |, P0 ~9 ^3 C/ x% q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
; p8 _3 }( \  Q9 N" i反馈的电流信号，在单片机内部换算并显示。
8 u2 a4 f" W8 m+ a7 ]# M+ g2.2 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
* J6 H4 i- q( x3 U. F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
/ q- k# Q- G( N  h4 K2 v3 d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；
- f) ^! v' m$ h  a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。
! J5 m" M# {+ W* Z2.3 升压、降压电路参数计算
2.3.1 元件选取
( B: b' T6 a) r8 ]# o( k9 r3 c1.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
( I4 n& g0 y- }% T& c7 }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，
4 |* H. Q2 T" B* n9 a4 |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，
6 d" a; f! K7 p最大电流33A。实际选用IRF540 型MOS 管。
1 e) E9 J) r2 u- ^: F2.二极管的选取
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
+ R7 T8 A4 l! F% I4 R性能，选用IN4746 耐压40V 最大电流为30A。
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学习一下。

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