DC-DC双向变换器

2015年全国大学生电子设计竞赛 DC-DC双向变换器（A题）

完成人：石永健（电子三班 201340602081）

2015年8月14

摘要

本系统以同步整流升降压电路为主，采用MSP430F5525单片机为控制核心。正向可以作为BUCK降压电路为电池充电，反向则可作为BOOST升压电路放电，经AD采样后由单片机调整PWM波输出，实现反馈控制。实验结果表明：当输入在24~36V条件下，充电时，充电恒流值十分稳定，电流控制精度为0.5%，充电电流变化率不大于0.5%，效率可高达96%。充电时，变换器效率高达97%。此外本系统还有充电电流显示，过充保护，自动切换等功能。

关键词：DC-DC双向变换；MSP430F5525；PWM反馈；恒流充电；同步整流

目录

1. 方案论证 (4)

1．1双向变换电路的论证与选择 (4)

1.2控制方案的论证与选择 (5)

1.3驱动方案的论证与选择 (5)

2．1电路的设计 (5)

2.1.1系统总体框图 (5)

2.1.2 电流检测子系统电路原理图 (6)

2.1.3 驱动模块电路原理图 (6)

2.2程序的设计 (7)

2.2.1 程序功能描述 (7)

2.2.2 程序流程图 (7)

3. 系统理论分析与计算 (8)

3.1主电路的分析 (8)

3.1.1同步整流电路的分析 (8)

3.1.2同步整流电路参数计算 (9)

3.2恒流充电方案的分析 (9)

4. 测试方案与测试结果 (10)

4.1测试仪器 (10)

4.2测试方案 (10)

4.3测试结果及分析 (11)

5．体会心得 (11)

6．参考文献 (11)

附录1：电路原理图 (12)

双向DC-DC 变换器（A 题）

【本科组】

1. 方案论证

1．1双向变换电路的论证与选择

方案一：采用BUCK 与BOOST 电路分段组合，如图1-1-1和1-1-2。当给电池充电时，采用BUCK 降压电路，为锂电池充电。当电池放电时，采用BOOST 拓扑，实现升压，将放电电压稳定在30V 。然而，由于该方案由多个电路组合，采样和控制比较复杂且效率低。

234

4

32D 1

L1

C 1

V p c

+

-

V 0S

+

负载

图1-1-1 BUCK 电路

4

3

2

L1

D 1

L2

C 2

C 1•

V p c

+-V 0

S

图 1-1-2 BOOST 电路

方案二：采用同步整流拓扑，如图1-1-3。该方案采用两个MOS 管交替导通，从正向看过去，该电路为降压电路，从反向看过去，该电路为升压电路。因此，该拓扑无需切换电路即可实现充放电。由于MOS 管导通电阻远小于二极管导通电阻，所以该拓扑效率可以达到很高。

图1-1-3同步整流电路基本拓扑电路

综合以上两种方案，选择方案二。

1.2控制方案的论证与选择

方案一利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但就本题而言，不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。

方案二利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3驱动方案的论证与选择

方案一：采用单片机I/0输出直接驱动MOS管。该方案较为简单，但是用单片机驱动G 极和S极电压达不到MOS管最低导通电压，并且单片机只有最高只有5V电平，用单片机驱动，MOS管导通速度会很慢，MOS管损耗大，造成效率降低。

方案二：采用专用的H桥驱动IR2110。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，输出的电源端电压范围10～20V,完全可以满足需求。

综合以上两种方案，选择方案二。

2. 电路与程序设计

2．1电路的设计

2.1.1系统总体框图

图2-1-1系统总体框图

2.1.2电流检测子系统电路原理图

电流检测子系统电路如2-1-2，充电电流通过康铜丝电阻采样，经过INA282放大后，送入TLC2543采样，送入单片机处理。

图2-1-2 电流检测子系统电路

2.1.3 驱动模块电路原理图

驱动子系统电路如图2-1-3

图2-1-3 驱动电路

2.2程序的设计

2.2.1 程序功能描述

1)产生PWM波经过IR2110驱动MOS管，AD采样并反馈

2)键盘实现功能：选择充放电模式，电流步进。

3)显示部分：显示充电电流，放电电压，工作模式。

2.2.2 程序流程图

1

2-2-2-1主程序流程

2）子程序流程图

图 2 图2-2-2-4子程序流程3

3. 系统理论分析与计算

3.1主电路的分析

3.1.1同步整流电路的分析

主电路如图3-1-1所示，HO和LO是驱动芯片输出信号，为频率相同相位相反的PWM 信号。从正向看，由于Q1和Q2导通的时间相反，即Q1导通Q2关闭，Q2导通，Q1关闭，所以该电路等效于一个BUCK电路，Q2相当于BUCK电路的续流二极管，U1为输入，U2为输出，C1为输出电容。同理，从反向看过去，该电路等效于BOOST电路，U2为输入电压，U1为输出电压，C1为BOOST电路的输出电容。