双向DC-DC变换器（A题）
一.系统方案论证与选择
本系统主要由双向DC-DC变换电路模块、辅助电源模块、测控电路模块、电池组及直流稳压电源组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1双向DC-DC变换电路模块的论证与选择
双向DC-DC变换指电源给锂电池充电需要降压，而锂电池通过升压电路升压后对负载进行放电。
由于效率是本题目的关键问题之一，故应选择效率可达90%以上的开关电源。
方案一：采用分立元件搭建。为了提高效率，需要选择适当的开关频率，并采用软开关技术，以降低开关管的损耗。同时，这将导致外围电路复杂，并对工艺有较高要求，较难实现题目要求。
方案二：采用高效率集成开关稳压器芯片。
该方案会简化外部电路，提高整体可靠性。以下是转换效率较高的几款芯片：
LM2596芯片，适用于Buck电路，开关频率为150kHz，输出电压范围为1.2V至37V，负载电流可达3A、具有热关断和限流保护功能，具备TTL关断能力，效率高，其转换效率达90%。芯片最少只需4个外围元件，使用方便高效，能满足题目要求。
LM2576芯片，与LM2596基本相似，但开关频率仅为52kHz，性能不如LM2596芯片。
XL4005芯片，适用于Buck电路，最高效率达97%，但开关频率为300kHz，输入电压范围仅为5V至32V，无法满足题设的24V至36V输入要求。
XL6009芯片，适用于Boost电路，开关频率400kHz，输入电压范围为5V至32V，最大开关电流可达4A，具有热关断、软启动、TTL关断能力，效率高，转换效率可达96%，能满足题目所提要求。
LMZ14203芯片，控制精密，电压稳定，但控制效率仅可达90%，且外围电路较为复杂，无法满足题目要求。
综合以上：Buck电路选用LM2596芯片，Boost电路选用XL6009芯片。
1.2测控电路模块的论证与选择
本题要求对电流进行监测与显示，但考虑到需要采样的回路为双向DC-DC干路，电流为双向电流，测控电路应能对其进行分辨。
方案一：使用采样电阻进行电流取样。
电阻电流取样是将适当阻值和功率的电阻串联在主回路中，阻值与功率应与所检测的电流相匹配，但考虑到若电流反向，其采样的电压即为负压，反馈给单片机后，单片机并不能予以识别，所以此方案在此处不适用。
方案二：使用霍尔电流传感器进行电流取样。
霍尔电流传感器的工作原理是利用霍尔器件检测电流。该种传感器可以检测出双向电流并予以识别。选用常用ACS712芯片，以表示基准0A，电压高低分别代表电流方向，因此能对电路进行分辨，且精度较高。
综合以上，选择方案二。
1.3辅助电源模块的选择
使用220V转5V降压模块提供稳定5V电压，使用5V转12V升压模块提供稳定12V电压。
1.4控制系统的论证与选择
MSP430系列单片机是美国德州仪器（Ti）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器，能有效提高系统效率，片内资源丰富，使用极其方便，同时具有高精度的12位A/D转换模块，能完成电压反馈的PI调节，产生PWM波，设定基准电压，显示电压电流，过电流保护等功能，十分适合用作电源电路控制。
二.电路与程序设计
2.1 总体电路的设计
本系统主要由双向DC-DC变换电路模块、辅助电源模块、测控电路模块、电池组及直流稳压电源组成。总体框图如图1所示
双向DC-DC主回路由Buck降压电路和Boost升压电路组成，通过两个受单片机控制的继电器选择工作模式。主回路框图如如图2所示
继电器通过单片机控制，由“00,01,10,11”四种状态分别完成充电、放电、等待三种模式，并且保证始终只有最多一个电路在电路中，保证系统稳定性。
表1.继电器模式真值表
2.3测量控制电路设计
测量控制电路主要由单片机片内ADC与DAC组成，通过ADC处理电路的采样电压和电流，转换后经DAC输出实现对电路的控制。
根据LM2596和XL6009的典型电路可知，升降压电路均由内部参考电压与外部的分压电阻实现电压的调节。从中发现，若R2采用可调电阻，即可实现输出电压的手动连续可调。
同时为了能够使单片机对输出电压进行连续控制，采用了一种新颖灵活的方法。如图3所示，将R1原本的接地端断开，而用单片机通过DAC输出的电压
来实现输出电压的连续可控。图中的电压跟随器是为了提高DAC的带载能力。三.系统理论分析与计算
3.1关于Buck电路的分析与计算
图4 Buck电路
LM2596芯片手册中典型Buck应用电路如图4所示，输出电压计算公式为
其中，
为内部1.25V参考电压。同时为保持电感电流连续，
电感L取值条件为：
综合考虑，最后选定电感L=47μH3.2关于Boost电路的分析与计算
Boost电路采用的核心芯片为XL6009。由于其内部已经集成大量模块，故外围电路较为简单。芯片手册中Boost典型应用电路的反馈控制机理与Buck电路相似，因此不再详述。
图
5 Boost控制
部分
电路
考虑到电池组最大电压为20V左右,经Boost电路升压后需输出30V左右，经计算得
且单片机管脚允许的最大电流为2mA，综合考虑，最后选定
同时为保持电感电流连续，电感L取值：
综合考虑，最后选定电感L=47μH。3.3采样电路分析与计算
由于MSP430单片机ADC管脚最大采样电压为2.5V,所以反馈的高电压必须分压后才能予以采样。
故电池端采样电路如图：
图6电池端采样电路
其中，
但为了保证转换效率，采样电路上的分流应越小越好，所以最后选取
电池端最大电压为20V左右，所以最大电压采样约为2.3V，满足单片机ADC采样要求。直流电源端采样电路如图：
其中，
所以最后选取
采样最大电压约为2.4v，满足单片机ADC采样要求。电流检测电路如图：
3.4控制程序的设计
为满足题设要求，设计出一套完整的控制程序，同时配备按键输入和显示模块。单片机通电进行初始化后进入等待模式，接着检测是否有按键输入，若有则自动判断对应DC-DC工作模式，否则继续等待。
若按键输入充电模式，则接通Buck电路进入充电状态，通过键入或读取程序设定电流电压值，并进行检测判断是否在设定的误差内，若超出则通过反馈进行调整，否则循环检测。
若按键输入放电模式，则接通Boost电路进入电池放电状态，通过键入或读取程序设定电流电压值，并进行检测判断是否满足题设要求，即双向DC-DC变换器直流电源测电压U2的电压值在29.5V至30.5V范围内，若超出则通过反馈重新选择工作模式，否则循环检测。程序流程图如图4所示，
四．测试方案与测试结果
4.1测试方案
首先将各部分模块的核心电路在Multisim上进行仿真测试，成功后焊接成实物电路，并根据题设要求对每个测试点进行检测并作出调整，最后实现锂电池的智能充放电。
4.2测试条件与仪器
使用三位半万用表，四路稳压电源对系统进行检测和稳定供电。
4.3测试结果及分析
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