大学生电子设计竞赛-双向 DC-DC 变换器.doc

1、2015 年 全 国 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛双向 DC-DC 变换器（A 题）参赛学生： 戴阳、徐成、李欣学校： 枣庄学院指导教师： 郑桂兴文稿整理老师： 郑桂兴2015 年 8 月 15 日摘 要摘要：本次所涉及的系统采用 STC12C5A60S2 单片机作为控制核心，以 Buck Boost 电路为双向 DCDC 变换电路，辅以 LM2596 模块为单片机辅助电源和 LCD显示等电路组成，通过 A/D 转换实现电流采样、电压采样，通过 STC12C5A60S2用 PWM 控制开关得到成比例的电流。为了避免负载短路时损坏电路，采用单片机控制过流保护，并实现自动恢复功能。本设计较好

2、地实现了题目所要求的基本功能和发挥功能。关键词：STC12C5A60S2、DCDC 变换、低功耗、低成本ABSTRACTAbstract: the system USES STC12C5A60S2 involved in the single chip microcomputer as control core, to buck boost circuit for bi-directional DCDC conversion circuit, supplemented by 7805 accessory power supply voltage regulator module for sin

3、gle chip microcomputer and LCD display and the composition of the ADC module circuit, by A/D conversion current sampling, voltage sampling, is obtained by STC12C5A60S2 using PWM control switch is proportional to the current.In order to avoid damage when load short circuit circuit, over-current prote

4、ction and controlled by single chip microcomputer, and realize the automatic recovery function.This design implements the topic well demanded by the basic function and function.Keywords: STC12C5A60S2, DCDC transformation, low power consumption and low cost目 录一方案论证 .- 1 -1.1 系统基本方案 .- 1 -1.2 系统各模块的最终

5、选择 .- 3 -二理论分析与计算 .- 4 -2.1 DC/DC 变换器稳压方法 .- 4 -2.2 过充保护 .- 5 -三电路设计与程序设计 .- 6 -3.1 单片机供电电路 .- 6 -3.2 PWM 驱动电路 .- 6 -3.3 Buck 降压模块 .- 7 -3.4 Boost 升压模块 .- 7 -3.5 电流采样电路 .- 7 -3.5 程序设计 .- 8 -四 检测结果与分析 .- 9 -五结语 .- 9 -六参考文献 .- 10 -附录一 系统总电路原理图 .- 10 -附录二 主要元器件清单 .- 10 -附录三 部分源程序 .- 11 - 1 -双向 DCDC变换电路

6、双向 DC-DC 变换器（ A 题）【本科组】一方案论证1.1 系统基本方案根据题目要求，系统可以划分为：主处理器模块、系统供电电路模块、DCDC 模块、电流电压采样模块、显示模块、过流保护模块。本系统的原理方框图如图 1.1 所示：图 1.1 可调直流稳压电源系统原理方框图为了实现各模块的功能，分别作出了几种不同的设计方案进项论证。1.1.1 主处理器模块方案一：采用 STC89C52 单片机作为主控制器。价格低，技术成熟，但 I/O少，RAM、ROM 容量小，内部资源少，运算速度低，效率低，功耗高。电流采样电压采样STC12C5A60S2单片机按键 显示pwm波U1 U2直流稳压电源继电器

7、电流采样辅助电源- 2 -方案二：采用 STC12C5A60S2 单片机作为该系统的控制核心。I/O 口数目较多且可以定义，RAM、ROM 容量大，运行速度快，多了两个定时器，带 PWM 和 AD转换功能。综上分析，由于 STC12C5A60S2 功能更强大，存储容量大，运行速度快，且更适合本题目对于 PWM 的要求，因此，主处理器模块选择方案二。1.1.2 系统供电电路模块方案的选择方案一：分别采用输出为 5V 的稳压电源为主电路、单片机供电。各电路操作独立、能达到各模块的用电要求。 方案二：此系统主电路部分采用组委会提供的直流稳压电源供电，单片机部分采用 LM2596 模块供电。综上分析，

8、决定采用 LM2596 模块对单片机供电。1.1.3 DCDC 变换方案的选择方案一：采用反激式拓扑结构，能够取的较好的稳压效果和较小的纹波电压。但电路复杂，变压器损耗高，控制繁琐，调试困难，短时间难以实现题目要求。方案二：采用 Buck 和 Boost DCDC 变换器，能够取得很好的稳压效果，电路结构简单，体积小。效率高，输出电流大，热量管理好，损耗少，能够满足供电系统高效率输出的要求。因为本设计对供电系统的效率要求比较高，所以比较之后选择第二种方案。1.1.4 电流电压采集模块方案利用 LM358 做放大器做成的电流检测电路直流电压增益高(约 100dB)、电源电压范围宽：(330V)低

9、功耗电流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，输出电压摆幅大(0 至 Vcc-1.5V)。1.1.5 显示模块方案的选择- 3 -方案一：LED 数码管显示。气短数码管有七段发光二极管做成，通过将二进制数转换成相应的字模来显示要输出的数字。但是，七段数码管只能显示比较简单的数字和字母，汉字显示等要求无法达到，其适用范围受到很大的限制。方案二：LCD1602 液晶显示屏显示。LCD1602 有明显的优点：功耗功率小的特点；尺寸小；字迹清晰美观，同时又可显示大量的文字信息和图形，可形成人性化的交互界面。综上所述，方案一未达到题目要求，我们采

10、用方案二。1.1.6 过充保护模块方案一：PTC 热敏电阻是一种过流保护中对异常温度及异常电流自动保护、自动恢复的保护元件。方案二：单片机控制过充保护。单片机检测到电压 U1=24V 时，发出指令将DCDC 电路的开关管关断，电流下降恢复正常之后，开关管导通，电路恢复正常。综上所述，我们采用方案二。1.1.7 开关模块采用继电器做为开关使用。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，可受单片机控制，操作简单。1.2 系统各模块的最终选择经过仔细分析和论证，系统各模块的最终选择方案如下：（1）主处理器模块：采用 STC12C5A60S2 单片机作为该系统的控制核心；（2）系统供电电路模块：采用直流稳压

11、电源和 LM2596 稳压模块分别对主电路和单片机供电；（3）DCDC 变换方案：采用 Buck 和 Boost DCDC 变换器；（4）电流电压采集模块：采用含 LM358 芯片的放大电路实现电流采样；（5）显示模块：采用 LCD1602 液晶显示屏；（6）过充保护模块：采用单片机控制。- 4 -二理论分析与计算2.1 DC/DC 变换器稳压方法降压斩波电路：t=0 时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 uo=E，负载电流 io按指数曲线上升。t=t 1时刻控制 V 关断，负载电流经二极管 VD 续流，负载电压 uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通

12、常使串接的电感 L 值较大 。tttOOO b)TEiGtontofioi1 i2I10I20t1uoOOO tttTE Ec)iGiGton tofio txi1 i2I20t1 t2uo EMEV +-MRLVDa) io EMuoiG数量关系升压斩波电路：V 通时，电源 E 经 V 向 L 供电使其贮能，此时电流为 i1。同时，C 维持输出电压恒定并向负载 R 供电。V 断时，L 的能量向负载释放，电流ETttUonofnotonV 通的时间 t offV 断的时间 a-导通占空比- 5 -为 i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。 VDo tb)

13、E RLa) CVo ti1 i2uL uoILi1i2tontofILIL数量关系2.2 过充保护本系统能够使用软件实现过充保护，高频 AD 采样，采的电压值，在软件中判断若 U1超过阈值 U1=24V，则降低至很小的占空比，直至电流降低到正常范围，再在一定的基础上增加占空比，这种过流保护方法灵敏，效率高。EtTEtU1onofntonV 通的时间 t offV 断的时间 a-导通占空比- 6 -三电路设计与程序设计3.1 单片机供电电路LM2596 单片机供电模块3.2 PWM 驱动电路Buck Boost 驱动电路- 7 -3.3 Buck 降压模块Buck 降压电路3.4 Boost 升压模块Boost 升压电路3.5 电流采样电路