2015报告初稿

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1、2015年全国大学生电子设计竞赛双向DG-DC变换器（A题）【本科组】2015年8月15日摘要双向DC/DC变换器冈其电路拓扑简单、能量转换效率高等优点，被广泛应用于电动汽车、不间断电源系统、人阳能发电系统、航空电源系统等领域。本系统以双向半桥（两象限）DC/DC电路为主电路，以DSPIC30F2020单片机为主控制器，实现了双向DC/DC变换器。通过按键来设定充放电模式，通过对输出电流和输出电压进行采样，利用闭环控制策略使得充电模式下恒流输出，放电模式下恒压输出，并且能够实时显示输出电压和电流的大小。根据反馈信

2、号，通过闭环控制，对PWM信号作相应调整，从而实现了稳压输出。系统输出直流电流1A〜2A可调，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到2A，DC-DC变换器的效率达到96%，同时通过单片机实现了输入电压、输出电压和输出电流的实时显示。关键词：双叫DC/DC变换器；恒流充电；恒压输出；DSPIC30F2020；步进调整445589011••••1—11系统方案比较与论证11.1双向DC-DC变换器主电路的方案选择11.2控制系统的论证与选择11.3辅助电源模块论证与选择11.4提高效率的方法及实现方案22.系统

3、硬件电路设计22.1系统整体框架闊22.2系统主电路设计22.3系统控制电路设计32.4辅助电源电路43.系统欽件设计43.1软件设计框架3.2系统程序流程图4.系统测试及结果分析4.1测试使用的仪器4.2测试数据分析与设计指标的比较附录1系统整体电路原理阁附录2主要程序代码附录3PCB及实物图1系统方案比较与论证1.1双向DC-DC变换器主电路的方案选择方案一：隔离型双向DC/DC变换器宥：反激式双向DC/DC变换器，正激式双向DC/DC变换器，双向半桥DC/DC变换器，双向推挽DC/DC变换器，双向全桥DC/

4、DC变换器等。以上的变换器拓扑均用到变压器进行隔离，因而在实际的电路运行过程N:将奋部分能量消耗在隔离变压器等磁性元器件屮，大大降低Y电路的幣体效率。方案二：非隔离型双向DC/DC变换器有：Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk等，这类变换器能实现电流的双向流动，不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器工作在第I和第II象限。此类变换器中没冇用到变压器进行隔离，降低了电路损耗，大大提高了能量转换效率，而且电路拓扑也相对较简单。综合比较本系统采用方案

5、二屮的半桥型DC/DC变换器。1.2控制系统的论证与选择方案一：利用51单片机作为主控芯片，实现电压电流检测以及按键设定，并II通过软件算法产生HVM信号来驱动开关管的通断，从而控制输出电压电流的变化。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出互补的PWM驱动信号，而且运行速度以及测量精度均比较低。方案二：以Microchip公司推山的DSPIC30F2020芯片为核心，该单片机具有较强的数据计算能力和数据吞吐能力。由于它具有的DSP运算功能，同吋具有单片机的体积小和价格低廉的特点，11该单片机系统A置晶振，外围电

6、路少，运行起来快速稳定，给木系统设计带来了很大的方便。综合比较本系统采用方案二中的DSPIC30F2020。1.3辅助电源模块论证与选择方案一：采用三端稳压集成的7815、7812、7805、1ml117分别得到15V、12V、5V和3.3V的稳定电压。利用该方法方便简单，但带负载能力较弱，且稳压管容易发热，增加了电路的整体功耗。_方案二：运用LM2596S-ADJ,LM2596S-5V，AMS1117和集成隔离电压转挽器1A0512S-1W分别得到15V，5V，3,3V和12V的稳定电压，带载能力较强。在这里我

7、们选择方案二。1.4提高效率的方法及实现方案⑴主电路巾开关管的选取：电力品体管(GTR)耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管(PowerMOSFET)开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。(2)选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为50kHzo(3)控制电路及保护电路的措施：控制电路采取超低功耗单片机DSHC30F2020,其具有运算速度快、外同电路简单的特点；显示

8、采取小体积OLED;控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，具休实现见附录图2,单片机由低功耗稳压芯片LM1117单独供电。2.系统硬件电路设计2.1系统整体框架图系统整体包括电池组，辅助电源，测控电路，双向DC-DC变换电路和直流稳压模块等几个主要组成部分，系统整体框架图如图2-1所示。辅助屯源直流稳压'U-源测控电路双

9、“JDCDC变换屯路图2-1系统整体结构图2.