双向DC-DC变换器(A题)

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查看: 4864回复: 0 发表于 2018-12-19 20:15:11   只看该作者
本帖最后由 Pencent 于 2018-12-24 17:06 编辑

双向DC-DC变换器(A题)
.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1.2V37V,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。
.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1所示
111.png
2.2双向DC-DC主回路设计
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。回路框图如2所示
222.png
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。
继电器1
继电器2
模式
Buck电路
Boost电路
1
1
放电
停止
工作
1
0
等待
停止
停止
0
1
等待
停止
停止
0
0
充电
工作
停止
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DAC输出实现对电路的控制。
111.png
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,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 111.png 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带载能力。
.系统理论分析与计算
3.1关于Buck电路的分析与计算
111.png
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 111.png
其中, 111.png 为内部1.25V参考电压。
根据电压输出公式: 111.png 考虑到直流稳压电源最大达38V左右,经Buck电路降压后需输出20V左右,经计算得 111.png 且单片机管脚允许的最大电流为2mA,综合考虑,最后选定 111.png
同时为保持电感电流连续,电感L取值条件为: 111.png 综合考虑最后选定电感L=47μH
3.2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。
111.png
5 Boost控制
部分
电路
111.png 考虑到电池组最大电压20V左右,经Boost电路升压后需输出30V左右,经计算得 111.png 且单片机管脚允许的最大电流为2mA,综合考虑,最后选定 111.png 同时为保持电感电流连续,电感L取值 111.png 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:
111.png
图6电池端采样电路
其中, 111.png 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 111.png 电池端最大电压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:
111.png
7
直流
电源
其中, 111.png 所以最后选取 111.png 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:
111.png
由于芯片ACS712,以 111.png 表示基准0A,Vcc为5V,故 111.png =2.5V,超出ADC管脚读取范围,亦须分压,综合考虑,选取 111.png
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范围内超出通过反馈重新选择工作模式否则循环检测。程序流程图如4所示
111.png
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
111.png


QQ图片20181224150315.png
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