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。

234432D 1L1C 1V p c+-V 0S+负载图1-1-1 BUCK 电路432L1D 1L2C 2C 1•V p c+-V 0S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12-2-2-1主程序流程2）子程序流程图图 2 图2-2-2-4子程序流程33. 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。

图 3-1-1主电路3.1.2同步整流电路参数计算1）电感值的计算：()22OO IN O IN B fU mI U U U L -= （公式3-1-21） 其中，m 是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=40 kHz,输出电压为36V 时，L B =530μH ，取600μH 。

2）电感线径的计算：最大电流I L 取2.5A ，电流密度J 取4 A/mm 2，线径为d,则由L I d J =22*）（π （公式3-1-22 ）得d=0.892 mm,工作频率为40kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。

3）电容的参数计算 OO IN O O B U f U U U I C ∆-=）（ （公式3-1-23） 其中，ΔU O 为负载电压变化量，取20 mV ，f=40kHz,U O =36V 时,C B =1465μF,取为2000μF ，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR ），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。

3.2恒流充电方案的分析由于随着充电的进行，电池的电压逐渐升高，所以，要想保持恒流充电，需要不断提高充电电源，从而保证电流不变。

本设计通过串联康铜丝电阻，采集康铜丝上的电压，反馈回单片机通过PI 算法调节PWM 波的占空比，从而保证流过康铜丝上的电流恒定，进而实现了恒流充电。

4. 测试方案与测试结果4.1测试仪器VONTEK可编程直流稳压电源安捷伦五位半数字万用表滑动变阻器最大承重5KG电子称4.2测试方案1)电流控制精度测试保持其他条件不变，在U2=30V条件下，测量充电电流在1A到2A范围步进的输出电流。

测试三次，如表1所示。

2)电流变化率测试保持其他条件不变，设定电流I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，测量U224~36V变化时的充电电流，如表2所示。

3) 测量精度测试改变充电电流，记录实际电流和显示电流。

测试五次，如表4所示。

4）自动切换功能测试调整直流稳压电源输出电压，测量Us 在32V到38V范围内变化时的U2，见表55）重量测试重量=408g。

4.3测试结果及分析经过计算分析得：实验结果表明：当输入在24~36V条件下对电池实现恒流充电，充电电流在1到2A 范围内步进可调，步进值为0.05，电流控制精度高达0.5%，当输入为24到36V变化时，充电电流变化率不大于0.5%。

充电时，变换器效率高达97%，实现了充电电流显示，过充保护等功能。

并且变换器具有恒压放电功能，可自动切换工作模式，保持变换器一侧电压为30V ±0.1，重量低于500g’综上所述，本设计得基本要求和发挥部分的设计要求全部达到。

5．体会心得这次比赛比的不仅仅是我们的动手能力、编程能力、更比的是我们的创新能力、团队合作力，还有最重要的是毅力，不放弃。

比赛过程中，遇到了很多困难，但在较上作品的瞬间就深知，收获最多的不是结果，而是解决问题的过程。

经过这四天三夜的奋斗，我们三个人都坚信，这次比赛没有任何遗憾。

6．参考文献[1] 《电子技术基础模拟部分》（第四版）康华光主编。

北京：高等教育出版社 2000 年 1 月[2] 《单片机原理及实用技术——凌阳 16 位单片机原理及应用》. 雷思孝，李伯成，雷向丽.。

西安：西安电子科技大学出版社，2005 年[3] 《C 语言程序设计》（第二版）谭浩强。

北京：清华大学出版社[4] 《微型计算机控制技术》于海生等。

北京：清华大学出版社[5] 《电工技术与电子技术.》王鸿明。

北京：清华大学出版社附录1：电路原理图同步整流电路IR2110驱动电路电流采样电路过充保护电路。