第11題 雙向dc-dc變換器

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1、摘要本系統(tǒng)基于雙向同步整流原理，主電路在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上整合Buck和Boost兩種電路，配合MOS管驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測電路、輔助電源電路以及輸出過流保護(hù)電路，使該DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通。系統(tǒng)由STM32F103ZET6單片機(jī)控制電流的步進(jìn)可調(diào)，同時(shí)控制PWM波產(chǎn)生相應(yīng)恒定電壓值，使用TI的MOS管CSD19535代替續(xù)流二極管，大大提高了系統(tǒng)效率。本系統(tǒng)在充電模式可達(dá)到98%的轉(zhuǎn)換效率，放電模式達(dá)到98%的轉(zhuǎn)換效率，電流檢測電路使用TI高精度檢流芯片INA282，恒定輸出的電流精度穩(wěn)定在1.5%以內(nèi)，電壓

2、精度穩(wěn)定在1%以內(nèi)，同時(shí)在LCD上顯示所處狀態(tài)，符合基本要求與發(fā)揮部分的參數(shù)要求。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于將電池充電過程分為三個(gè)階段，通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示電池所處的充電狀態(tài)。關(guān)鍵詞DC/DC電路同步整流STM32目錄1方案論證11.1方案描述11.2方案比較與選擇11.2.1主控器方案比較與選擇11.2.2顯示屏方案比較與選擇21.2.3電流檢測方案比較與選擇21.2.4PWM生成方式比較與選擇21.2.5驅(qū)動(dòng)電路方案比較與選擇22電路與程序設(shè)計(jì)32.1雙向DC/DC主回路與器件32.2測量控制電路、控制程序32.2.1測

3、量控制電路32.2.2控制算法32.2.3主程序設(shè)計(jì)43理論分析與計(jì)算53.1主回路主要器件參數(shù)選擇及計(jì)算53.1.1MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR211053.1.2電流檢測芯片INA28253.1.3功率管選擇CSD1953563.1.4電感參數(shù)計(jì)算63.2控制方法與參數(shù)計(jì)算63.3提高效率的方法74測試方案與測試結(jié)果（見附件）74.3測試結(jié)果分析75結(jié)束語86參考文獻(xiàn)81方案論證1.1方案描述本設(shè)計(jì)采用雙向同步整流電路，單片機(jī)控制輸出兩路PWM波經(jīng)過IR2110驅(qū)動(dòng)高端PMOS管或低端NMOS管。通過控制PWM的占空

4、比來控制兩個(gè)MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)高端MOS管導(dǎo)通時(shí)，低端斷開；同理，當(dāng)?shù)投薓OS管導(dǎo)通時(shí)，高端MOS管斷開，從而實(shí)現(xiàn)同步整流，方案總體描述框圖1所示：圖1方案總體描述框圖1.2方案比較與選擇1.2.1主控器方案比較與選擇方案一：采用通用的51系列單片機(jī)。核心控制部件使用89C51時(shí)，為達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求，外圍電路使得整個(gè)系統(tǒng)硬件電路變得復(fù)雜,并且傳統(tǒng)的51單片機(jī)沒有PCA定時(shí)器，獲得兩路PWM較復(fù)雜，使得系統(tǒng)的性價(jià)比偏低。方案二：采用MSP430G2553為主控制器，帶內(nèi)部基準(zhǔn)、采樣與保持以及自動(dòng)掃描功能的1

5、0位200-ksps模數(shù)轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘頻率為32kHz,但引腳相對(duì)較少，無法滿足要求。方案三：采用STM32單片機(jī)為主控制器，具有72MHz的CPU工作頻率，且自帶有3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(多達(dá)21個(gè)輸入通道)，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為1μs,2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器。含有多達(dá)112個(gè)多功能雙向的I/O口，所有I/O口可以映像到16個(gè)外部中斷。經(jīng)比較，故采用方案三，使用STM32單片機(jī)為主控制器。1.2.2顯示屏方案比較與選擇方案一：采用Nokia5110顯示屏，可以顯示15個(gè)漢字、30個(gè)字符，僅四根I/O線即可驅(qū)動(dòng)，工作速度快

6、；體積很小，質(zhì)量輕；工作電壓3.3V，正常顯示時(shí)工作電流200uA以下，功耗極低；具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動(dòng)設(shè)備。方案二：采用12864顯示屏，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣），可與CPU直接連接，提供兩種界面來連接MCU：8-位并行及串行兩種連接方式，但12864重量較大，屏幕可顯示的容量較小。方案三：采用TFT液晶屏，高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，其效果接近CRT顯示器，但功耗較大，成本較高。第1頁

7、，共8頁從低功耗角度考慮，采用方案一作為顯示屏的方案。1.2.3電流檢測方案比較與選擇方案一：采用AD620運(yùn)放，將檢流電阻兩端的電壓進(jìn)行隔離放大，AD620可以實(shí)現(xiàn)1到1000的增益，增益范圍大且可通過電阻改變放大倍數(shù)。但是，由于外接電阻的精度問題，增益不能準(zhǔn)確確定，且AD620的共模抑制比較小。方案二：采用高精度檢流芯片INA282進(jìn)行電流檢測，INA282的增益為50倍，共模抑制比比較高，只需外接20毫歐電阻便可完成測量并且非常準(zhǔn)確。此外，INA282共模范圍為-14~80V。利用INA282實(shí)現(xiàn)檢流功能，

8、電路簡單，能耗較小。圖2INA282檢流電路經(jīng)比較，從電路連接上以及精度方面考慮，采取方案二為電流檢測方案。1.2.4PWM生成方式比較與選擇方案一：采用硬件生成方式，利用NE555產(chǎn)生PWM波形。因?yàn)殡娙萜鰿1開始放電。使得第3接腳到高電位。當(dāng)?shù)?接腳到高電位時(shí)，電容器C1開始通過R1和對(duì)二極管D2充電。當(dāng)在C1的電壓到達(dá)+V的2/3時(shí)啟動(dòng)接腳6，電容器C1起動(dòng)通過R1