基于单片机双向DC-DC变换器设计开题报告

1. 研究目的与意义

1.1 系统背景

开关电源已有几十年的发展历史。1955年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；1957年发明的自激推挽式双变压器，1964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。1977年脉宽调制（pwm）控制器集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。与此同时，开关电源的频率也从最初的20khz提高到几千赫兹至几兆赫兹。目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。^[1]

1.1.1 绿色节能型开关电源

2. 研究内容和预期目标

本课题系统的设计的目的是为了进行能量转换，所以采用了开关电源拓扑结构，以mcu为控制核心，使得电路运行更加的智能化，电路中应该包含主回路、辅助电源供电、按键电路，以及显示模块。

①方案论证与各元器件确定：拓扑方案的选择和论证，dc-dc选择，电路供电电源的选择，电流检测电路选择，电压检测电路选择，按键电路选择，液晶显示模块确定

②完成芯片参数的分析、计算和选择：buck的lc滤波电路参数，电流检测电路和电压检测电路参数

3. 研究的方法与步骤

3.1.1基本要求

图3电池储能装置结构框图

接通S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。

（1）U2=30V 条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1 在1~2A 范围内步进可调，步进值不大于0.1A，电流控制精度不低于5%。

（2）设定I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，使U2 在24~36V 范围内变化时，要求充电电流I1 的变化率不大于1%。

（3）设定I1=2A，在U2=30V 条件下，变换器的效率h1大于等于90%。

（4）测量并显示充电电流I1，在I1=1~2A 范围内测量精度不低于2%。

（5）具有过充保护功能：设定I1=2A，当U1 超过阈值U1th=24±0.5V 时，停止充电。^[14]

3.1.2发挥部分

（1）断开S1、接通S2，将装置设定为放电模式，保持U2=30±0.5V，此时变换器效率h2大于等于95%。

（2）接通S1、S2，断开S3，调整直流稳压电源输出电压，使Us 在32~38V 范围内变化时，双向DC-DC 电路能够自动转换工作模式并保持U2=30±0.5V。

（3）在满足要求的前提下简化结构、减轻重量，使双向DC-DC 变换器、测控电路与辅助电源三部分的总重量不大于500g。

（4）其他

3.2方案论证

3.2.1 DC－DC选择

方案一：非隔离Buck/Boost双向DC-DC 实现了开关管的电感电流过零ZVS实现方案，开关管的反并联二极管也是自然导通的，无反向恢复问题，获得了较高的变换效率。

图4非隔离Buck/Boost双向DC-DC

方案二：隔离式Buck/Boost双向DC－DC　其中高频整流／逆变单元和高频逆变／整流单元可以由全桥，半桥，推挽等电路拓扑构成。在隔离式Boost变换方案中存在：“升压启动”问题 ，开关管电压尖峰问题

图5隔离式Buck/Boost双向DC－DC

综合比较，选择方案一。

3.2.2 辅助电源

方案一：工频电源（200V）经过变压器降压再通过整流滤波接到7805上，输出5V电压。

方案二：用220V转12V的电源适配器。再通过7805输出5V。

方案一要用到变压器，重量较重；方案二简单效率高且轻便，综合比较，选择方案二。

3.3电路与程序设计

3.3.1双向DC－DC主回路与器件选择

主电路由驱动电路和双向DC－DC组成

图6 DC-DC主回路

3.3.2辅助电源

图7辅助电源

3.3.3微控制器的选择

图8单片机

3.3.4电流检测

电阻分压检测电路。经过在输出回路中串连采样电阻，将经过电阻的电流转换成两端的电压，经过检测电压值从而获得电流值。该检测方式电路和程序控制都比较简洁。^[15]

图9电流检测电路

3.3.5电压检测电路

图10输入电压采样

图11输出电压采样

3.3.6显示模块

系统采样1602液晶显示。液晶驱动电流较小，能显示较大信息量，无需增外设电路。

图12 图液晶屏模块

3.3.7按键

图13按键

3.3.8IR2104驱动

IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理。采用该芯片降低了整体电路的设计难道只要电容C选择恰当，该电路运行稳定。

图14 IR2104驱动

4. 参考文献

[1]孟玉洪. 具有功率因数校正的大功率开关电源设计[d].电子科技大学,2010.

[2]沙占友,陈书旺,葛家怡. tea1520系列节能型单片开关电源的原理[j]. 电源技术应用,2002,(12):1-

[3]. 自动化技术、计算机技术[j]. 中国无线电电子学文摘,2011,(03):166-245.

5. 计划与进度安排

①1周~4周：进行课题相关外文的翻译

②5周~7周：对方案进行初步分析，并且计算和验证各器件的参数（同步整流的buck/boost拓扑电路的电容以及电感、电流检测电路lm358中的中运放的放大倍数、电压检测电路的电压）

③8周~9周：绘制课题相关电路图并且仿真，得出结论