雙向DC-DC變換器設(shè)計(jì) XL4016+XL6019+單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

ID:515632 · 發(fā)表于 2019-4-18 17:18

本設(shè)計(jì)主要由雙向DC-DC變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%，升壓部分采用XL6019開關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用PWM控制原理，形成一個(gè)閉環(huán)回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。
在本次設(shè)計(jì)中恒壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路，對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由PWM調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。

一、系統(tǒng)方案
1、雙向DC-DC變換電路的論證與選擇
2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇
3、控制方法的論證與選擇
二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算
三、電路與程序設(shè)計(jì)
1、電路的設(shè)計(jì)
（1）系統(tǒng)總體框圖
2、程序的設(shè)計(jì)
（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路
（2）程序流程圖
3、程序流程圖
四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析
附錄1：電路原理圖
附錄2：源程序

一、系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)主要由雙向DC-DC變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%，升壓部分采用XL6019開關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用PWM控制原理，形成一個(gè)閉環(huán)回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。

1、雙向DC-DC變換電路的論證與選擇方案1:由降壓斬波變換電路(即Buck變換電路)和升壓斬波變換電路（即Boost電路）組成雙向DC-DC變換電路，分別各使用一個(gè)全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,對輸入直流電源進(jìn)行斬波控制通過調(diào)整全控型器件VT的控制信號(hào)占空比來調(diào)整輸出電壓。

方案2：采用XL4016開關(guān)型降壓芯片和XL6019開關(guān)型升壓/降壓芯片構(gòu)成升壓、降壓電路具有低紋波，內(nèi)助功率MOS,具有較高的輸入電壓范圍，內(nèi)置過電流保護(hù)功能與EN引腳邏輯電平關(guān)斷功能。

綜合以上兩種方案，考慮到時(shí)間的限制，選擇了比較容易實(shí)現(xiàn)的方案2。

2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇

由于瑞薩單片機(jī)開發(fā)套件數(shù)量有限，所以我們選擇了一款相對便宜，速度快，性價(jià)比較高的STM32103V8T6作為控制器，顯示部分由于收到題目對作品重量的要求，選擇了質(zhì)量輕，分辨率較高的0.96寸OLED屏幕顯示。由于市場上所售開關(guān)電源模塊的，紋波大的因素，所以輔助電源選擇了一個(gè)較小的9V變壓器，進(jìn)行，整流濾波作為輔助電源。

3、控制方法的論證與選擇

方案1：采用PWM調(diào)節(jié)占空比的方法控制降壓芯片的控制端，達(dá)到控制恒流和控制恒壓的目的，采用PWM調(diào)節(jié)軟件較為復(fù)雜，而且PWM調(diào)節(jié)較為緩慢，軟件控制難度大。

方案2：恒壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路，對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由PWM調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。

綜合以上兩種方案，選擇軟件較為簡單，硬件較為復(fù)雜的方案2。

二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

1、充電電路設(shè)計(jì)分析

充電電路也就是一個(gè)降壓電路，并且要求是一個(gè)恒流源，本次競賽選取XL4016為核心降壓芯片，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

管腳定義如下典型應(yīng)用電路如下

2.2 放電電路設(shè)計(jì)分析

XL6019是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOS。XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從0~90%之間線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下

2.1 充電電路設(shè)計(jì)分析

充電電路也就是一個(gè)降壓電路，并且要求是一個(gè)恒流源，本次競賽選取XL4016為核心降壓芯片，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

XL4016降壓模塊電路圖如下所示

2.2 放電電路設(shè)計(jì)分析

XL6019是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOS。XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從0~90%之間線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功

能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下

三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體框圖

（圖3-1）

系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示，主要由輔助電源、測控電路、雙向DC-DC變換電路等組成，輔助電源為測控電路供電，測控電路用于檢測和控制雙向DC-DC電路，以及電壓電流的采集與控制。

降壓電路原理

降壓電路采用XL4016型8A，180KHz，40V，PWM降壓型直流對直流轉(zhuǎn)換器，最大效率可達(dá)96%。輸出1.25V到36V可調(diào)，8A恒定輸出電流能力。

如下圖3-2所示為XL4016降壓部分電路圖，通過對FB引腳的控制，可有效的實(shí)現(xiàn)電流及電壓的控制。該轉(zhuǎn)換器外圍器件少，低紋波，調(diào)節(jié)簡單，內(nèi)置短路保護(hù)功能。PWM占空比0%到100%連續(xù)可調(diào)。

（圖3-2）

（3）升壓電路原理圖

升壓電路使用XL6019型220KHz、60V、5A開關(guān)電流升壓/降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOS、XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從0~90%之間線性變化。內(nèi)置過流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。使用單片機(jī)控制EN引腳實(shí)現(xiàn)對升壓模塊開啟與關(guān)斷。

（圖3-3）

測控電路電路原理圖

測控電路如圖3-4所示，通過電阻分壓濾波后，使用單片機(jī)ADC采樣，得到輸入、輸出電壓，以及電流和2.5V基準(zhǔn)電壓，使用TL431產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓用于矯正。恒壓恒流控制使用單片機(jī)輸出PWM，經(jīng)濾波后使用LM358跟隨，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)可減小輸入控制端的能量消耗。使用比較器比較設(shè)定值與輸出值，再控制芯片的工作狀態(tài)。

（圖3-4）

電源

為減小高頻干擾，輔助電源使用220V到9V普通變壓器，經(jīng)整流濾波后使用7812和HT7333分別輸出12V和3.3V電壓為LM358和單片機(jī)小系統(tǒng)板供電。

2、程序的設(shè)計(jì)（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

1、程序功能描述

根據(jù)題目要求，軟件部分實(shí)現(xiàn)測量顯示，切換模式，充電過壓保護(hù)，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

程序設(shè)計(jì)思路

（1）、首先進(jìn)行，按鍵，OLED各個(gè)內(nèi)設(shè)初始化；

（2）、進(jìn)行按鍵掃描；

（3）、判斷模式；

（4）、進(jìn)行PWM控制電流，讓輸出為橫流模式；

（5）、掃描按鍵；

（6）進(jìn)行打開光耦，讓升壓模塊工作；

3程序流程圖

1、系統(tǒng)總框圖

Vin/Vout

2、程序流程圖
四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析

4.1 測試儀器

5位半數(shù)字萬用表，4位半萬用表

4．2測試數(shù)據(jù)與分析

（1）U2=30V條件下對電池恒流充電，電流I1在1-2A變化過程中測量值如下表：

按按鍵次數(shù)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I1測量值（A）	1	0.99	1.01	1.06	1.07	1.10	1.12	1.14	1.16	1.17

，

(2)設(shè)定I1=2A，使U2在24-36V范圍內(nèi)變化時(shí)，測量記錄I1的值。數(shù)據(jù)如下：

U2（V）	24	25	26	27	28	29	30	31	32	36
I1（A）	1.99	1.98	1.98	1.99	1.97	1.98	1.99	1.96	2.01	1.99

（3）設(shè)定I1=2A，在U2=30V，測量U1，I2，計(jì)算效率。數(shù)據(jù)如下：

當(dāng)I1=2A，U2=30V時(shí)，測得I2=1.47A，U1=20V，由此計(jì)算效率為97%。

（4）放電模式下，保持U2=30V，計(jì)算效率，數(shù)據(jù)如下：

當(dāng)U2=30V時(shí)，I2=1.02A，U1=18.9V，I1=0.63A，由此計(jì)算效率為98%。

（5）使US在32-38V范圍內(nèi)變化時(shí)U2記錄如下：

Us/V	32	33	33	34	35	36	37
U2/V	29.7	29.8	29.8	29.9	29.8	30.3	30.4

以上數(shù)據(jù)可以說明，本次設(shè)計(jì)的雙向DCDC變換器，各項(xiàng)指標(biāo)均在題設(shè)范圍內(nèi)，是符合要求的。

1

附錄1：電路原理圖

單片機(jī)源程序如下:

#include<reg52.h>
#include <intrins.h>
#include <I2c.h>
unsigned char ReadADC(unsigned char Chl); //AD采樣，有返回值
void DAC(unsigned char Data); //DA輸出
void delay(unsigned char j); //
unsigned int datpro(void); //電壓采樣數(shù)據(jù)處理
void led(int g,int a); //數(shù)碼管顯示
void out_AD_led(); //輸出采樣電壓1
void DA_out(); //DA輸出控制
sbit key_1 = P3^4;
sbit key_2= P3^5;
sbit duan=P2^6;
sbit wei=P2^7;
sbit in0 = P3^2;
unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d ,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
unsigned char num=102; //DA數(shù)模輸出變量初始值
int main()
{
while(1)
{
DA_out();
DAC(num);
out_AD_led();
}
}
void out_AD_led() //
{
led(1,datpro()/1000);
led(2,datpro()%1000/100);
led(3,datpro()%100/10);
}
unsigned char ReadADC(unsigned char Ch) // 讀取AD模數(shù)轉(zhuǎn)換的值，有返回值
{
unsigned char Data;
Start(); //寫入芯片地址
Send(AddWr);
Ack();
Send(0x40|Ch);//寫入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自行添加
//Ch的值分別為0、1、2、3，分別代表1-4通道
Ack();
Start();
Send(AddRd); //讀入地址
Ack();
Data=Read(); //讀數(shù)據(jù)
Scl=0;
NoAck();
Stop();
return Data; //返回值
}
unsigned int datpro(void) //
{
unsigned int dianyah,dianyal;
unsigned int dianya=0;
unsigned char x;
for(x=0;x<6;x++)
{
dianya=ReadADC(1)+dianya;//輸入通道選擇通道
}
dianya=dianya/6;
dianyah=dianya&0xf0;
dianyah=dianyah>>4;
dianyal=dianya&0x0f;
dianya=dianyal*20+dianyah*310;
return(dianya);
}
void DA_out() //
{
if(key_1 == 0)
{
delay(10);
while(key_1 == 0);
num=num - 1;
}
if(key_2==0)
{
delay(10);
while(key_2==0);
num=num + 1;
}
}
void DAC(unsigned char Data) //
{
Start();
Send(AddWr); //寫入芯片地址
Ack();
Send(0x40); //寫入控制位，使能DAC輸出
Ack();
Send(Data); //寫數(shù)據(jù)
Ack();
Stop();
}
void led(int g,int a) //
{
if(g==1)
{
P0 = 0Xfe ;
wei = 1;
wei = 0;
P0 = table[a];
duan = 1;
delay(2);
duan = 0;
}
if(g==2)
{
P0 = 0Xfd ;
wei = 1;
wei = 0;
P0 = table[a]|0x80;
duan = 1;
delay(2);
duan = 0;
}
if(g==3)
{
P0 = 0Xfb ;
wei = 1;
wei = 0;
P0 = table[a];
duan = 1;
delay(2);
duan = 0;
}
P0 = 0Xf7 ;
wei = 1;
wei = 0;
P0 = 0x3e;
duan = 1;
duan = 0;
}
void delay(unsigned char j) //
{
unsigned int i;
for(;j>0;j--)
for(i=0;i<125;i++);
}
#include <intrins.h>
#define AddWr 0x90 //寫數(shù)據(jù)地址
#define AddRd 0x91 //讀數(shù)據(jù)地址
sbit RST=P2^4; //關(guān)掉時(shí)鐘芯片輸出
sbit Sda=P2^0; //定義總線連接端口
sbit Scl=P2^1; //時(shí)鐘信號(hào)
void Start(void) //啟動(dòng)IIC總線
{
Sda=1;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
Sda=0;
_nop_();
Scl=0;
}
void Stop(void) //停止IIC總線
{
Sda=0;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
Sda=1;
_nop_();
Scl=0;
}
void Ack(void)//應(yīng)答IIC總線
{
Sda=0;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
Scl=0;
_nop_();
}
void NoAck(void) // 非應(yīng)答IIC總線
{
Sda=1;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
Scl=0;
_nop_();
}
void Send(unsigned char Data) //發(fā)送一個(gè)字節(jié)
{
unsigned char BitCounter=8;
unsigned char temp;
do
{
temp=Data;
Scl=0;
_nop_();
if((temp&0x80)==0x80)
Sda=1;
else
Sda=0;
Scl=1;
temp=Data<<1;
Data=temp;
BitCounter--;
}
while(BitCounter);
Scl=0;
}
unsigned char Read(void) // 讀入一個(gè)字節(jié)并返回
{
unsigned char temp=0;
unsigned char temp1=0;
unsigned char BitCounter=8;
Sda=1;
do
{
Scl=0;
_nop_();
Scl=1;
_nop_();
if(Sda)
temp=temp|0x01;
else
temp=temp&0xfe;
if(BitCounter-1)
{
temp1=temp<<1;
temp=temp1;
}
BitCounter--;
}
while(BitCounter);
return(temp);
}