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2015年全国大学生电子设计竞赛
双向DC-DC变换器（A题）
【本科组】
2015年08月15号
摘 要
双向DC/DC变换器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是一种可在双象限运行的直流变换器，能够实现能量的双向传输。随着开关电源技术的不断发展，双向DC/DC变换器已经大量应用到电动汽车、太阳能电池阵、不间断电源和分布式电站等领域，其作为DC/DC变换器的一种新的形式，势必会在开关电源领域上占据越来越重要的地位。由于在需要使用双向DC/DC变换器的场合很大程度上减轻系统的体积重量及成本，所以具有重要研究价值。既然题目要求是作用于可充电锂电池的双向的DC-DC变换器，肯定包括降压、升压、电压可调、恒流、等要求。考虑到题目对效率的要求，我们选择降压Buck电路，升压Boost电路，并用反馈电路和运放电路来实现电压可调和恒流等要求，通过一系列的测试和实验几大量的计算，基本上能完成题目的大部分要求。 关键词： 双向DC/DC变换器；双向Buck-Boost变换器；效率；恒流稳压
1系统方案 4
1.1 DC-DC双向变换器模块的论证与选择 4
1.2 测控电路系统的论证与选择 4
2 系统理论分析与计算 4
2.1 双向Buck-BOOST主拓电路的分析 4
2.3 控制方法与参数计算 6
3 电路与程序设计 7
3.1 电路的设计 7
3.1.1 系统总体框图 7
3.1.2 给电池组充电Buck电路模块 7
3.1.3 电池放电Boost升压模块 8
3.1.4 测控模块电路原理图 8
3.1.5 电源 9
3.2 程序设计 9
4 测试方案与测试结果 15
4.1 测试方案 15
4.2 测试条件与仪器 15
4.3 测试结果及分析 15
4.3.1 测试结果(数据) 15
4.3.2 测试分析与结论 16
1系统方案
本系统主要由DC-DC双向变换器模块、测控电路模块及辅助电源模块构成，分别论证这几个模块的选择。
1.1 DC-DC双向变换器模块的论证与选择
方案一：采用大功率的线性稳压芯片搭建稳压电路，使充电压恒定，在输入电压高于充电合适电压时，实现对输入电压的降压，为电池组充电。该电路外围简单，稳压充电不需要软件控制，简单方便，但转换效率低。同时采用采用基于NE555的普通升压电路，这种电路设计简单，成本低，但转换效率较低、电池电压利用率低、输出功率小 ，更不能不易与基于大功稳压芯片所构成的稳压电路结合构成DC-DC双向变换器。 方案二：采用Buck-Boost电路，选择合适的开关管、续流二极管，电能的转化效率高，且电路简单，功耗小，稳压范围宽，能很好的实现输入降压，输出升压。但输入、输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁 干扰且输出纹波较大。所以实际应用时常加有输入， 输出滤波器。
方案一简单轻便但会影响电源的效率，而方案二中的Buck电路能很好保对证电源的降压要就对电池组充电，并且使电池组的充电率满足题目要求，所以采用方案二。
1.2 测控电路系统的论证与选择
方案一：采用基于51单片机的数控电路，测控精度高，但不能连续可调，制作过程复杂，工作量大，并且造价高，维护复杂。
方案二： 基于UC3843的测控电路，电路简单，效率高，可靠性高，但随着负载的增大，输出波形变得不稳。
综合考虑采用采用方案二。
2 系统理论分析与计算
2.1 双向Buck-BOOST主拓电路的分析
Buck-Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器，其主电路与Buck或 Boost变换器所用的元器件相同，也有开关管 、二极管、电感、和电容构成。如下图1所示。Buck-Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式。图2是电感电流连续时的主要波形。图3是Buck-Boost变换器在不同工作状态下的等效电路图。电感电流连续工作室时，有两种工作模式，图(3a)的开关管S1导通时的工作模式，图3（b）是开关管S1关断、L续流时的工作模式。
图1 主电路
图2电感电流连续工作波形
S1导通 S1断开
图3 Buck-Boost不同开关模式下等效电路
2.2 电感电流连续工作原理和基本关系
电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有开关管S1导通和开关管S1关断两种工作模态。
在开关模态1[0~]：
t=0时，S1导通，电源电压加载电感上，电感电流线性增长，二极管D戒指，负载电流由电容提供：
t=时，电感电流增加到最大值，S1关断。在S1导通期间电感电流增加量
在开关模态2[ ~ T]:
稳态工作时，S1导通期间的增长量应等于S1关断期间的减小量，或作用在电感上电压的伏秒面积为零，有：
由(2-8)式，若=0.5，则=；若<0.5，则<；反之，>0.5，>。设变换器没有损耗，则输入电流平均值和输出电流平均值之比为
开关管S1截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压和输出电压之和，这也是二极管D截止时所承受的电压
由图1-2可见，电感电流平均值等于S1和D导通期间流过的电流平均值和之和，即：
开关管S1和二极管D电流的最大值、等于电感电流最大值。
S1导通期间，电容电压的变化量即输出电压脉动由S1导通期间放电量=计算，因=，故：
2.3 控制方法与参数计算
1.Boost电路控制方法：负反馈。
2.Buck电路控制方法：正反馈+负反馈。
3.振荡频率计算公式：
4.反馈深度：TL431是一种并联稳压集成电路。三端可调分流基准源、可编程输出电压:2.5V~36V、电压参考误差：±0.4% ，典型值@25℃（TL431B）、低动态输出阻抗:0.22Ω(典型值)、温度补偿操作全额定工作温度范围、负载电流1.0毫安--100毫安。全温度范围内温度特性平坦，典型值为50 ppm/℃，最大输入电压为37V、最大工作电流150mA、内基准电压为2.495V(25°C)。
5.放大器选用基于Lm358的放大电路，放大倍数的计算公式：
6.软件算法：15f2k60s2单片机是高速/低功耗的单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。工作电压：5.5V - 3.8V（5V 单片机）/3.8V - 2.4V（3V 单片机）、工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的 0～80MHz、用户应用程序空间4K/6K/7K/8K/10K/12K/
13K/16。
K/32K/40K/48K/56K/ 61K/字节、片上集成 1280字节/512/256字节 RAM、工作温度范围：0-75℃/-40-+85℃。
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