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2015 年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器论文.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.59M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    2015 年全国大学生电子设计竞赛 双向 DC-DC 变换器（A 题） 【本科组】 2015 年 8 月 15 日
    摘 要 本系统以 TI 公司的 MSP430F5529 单片机为核心，设计了一套高效率的双向 DC-DC 变换器。通过闭环控制实现了恒流充电，放电，过充保护以及自动切换 工作模式的功能，效率高，精度高。该设计应用同步整流技术和准方波零电压软 开关技术使效率明显提高。单片机输出带死区的互补 PWM 来控制 MOSFET 的 导通与关断，驱动电路使用 TI 公司的 UCC27211 驱动芯片驱动 TI 公司的导通电 阻极小的 CSD19506 功率 MOSFET，采用自举升压、浮地驱动的方式驱动高侧 MOSFET。采用电阻分压电路检测电压和 TI 公司的 INA282AIDR 电流检测芯片 检测电流。并且可以实现按键步进调节电流值，屏幕显示电压电流值的功能。 关键词：同步整流；软开关；自举电路；带死区互补 PWM I
    目 录 一.方案论证 ........................................................ 3 1.双向 DC-DC 变换电路的论证与选择 .............................................................. 3 2.主控制器方案的论证与选择 ............................................................................ 3 3.MOS 管驱动方案的论证与选择 ....................................................................... 3 二.理论分析与计算 .................................................. 3 1.系统电路的分析 ................................................................................................ 3 （1）主电路拓扑的分析 ............................................................................. 3 （2）驱动电路的分析 ................................................................................. 4 2.主电路参数的计算 ............................................................................................ 5 （1）开关频率的选择 ................................................................................. 5 （2）主电路电感的计算 ............................................................................. 5 （3）主电路电容的计算 ............................................................................. 5 （4）主电路功耗的计算 ............................................................................. 5 3.提高效率的方法及实现方案 ............................................................................ 6 三.电路与程序设计 .................................................. 6 1.电路设计 ............................................................................................................ 6 （1）系统总体框图 ..................................................................................... 6 （2）主电路及检测电路设计与电路原理图 ............................................. 7 （3）驱动电路原理图 ................................................................................. 7 （4）辅助电源的设计 ................................................................................. 7 2.程序设计 ............................................................................................................ 8 （1）程序功能描述与设计思路 ................................................................. 8 （2）主程序流程图 ..................................................................................... 8 （3）子程序流程图 ..................................................................................... 8 四.测试方案与测试结果 .............................................. 9 1.测试仪器 ............................................................................................................ 9 2.测试方法与数据 ................................................................................................ 9 3.测试结果分析 .................................................................................................... 9 五.结论与心得 ..................................................... 10 参考文献 .......................................................... 10 附录 1：电路原理图 ................................................. 11 附录 2：子程序流程图 ............................................... 12 II
    一、方案论证 本系统主要由控制模块、双向 DC-DC 主电路模块、驱动电路模块、辅助电源模块、液晶 显示模块、按键模块六个功能模块组成，下面分别论证这几个模块方案的选择。 1.双向 DC-DC 变换电路的论证与选择 方案一：采用双单向变换器结构。该方式要靠两套电路之间的切换来实现双向 DC-DC 功 能，电路复杂，效率低，故不在本设计中应用。 方案二：采用同步整流 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器。该双向变换器在 Buck 同步整流 的基础上实现双向 DC-DC 变换，体积小，质量轻，成本低，结构简单，效率高。 综合以上两种方案，采用方案二。 2.主控制器方案的论证与选择 方案一：51 单片机。该系列的单片机价格低廉、应用广泛、性能稳定、技术成熟，但运 行速度较慢，片内资源较少，故并不适合本设计。 方案二：使用 TI 公司的 MSP430F5529 单片机。该单片机为 16 位单片机，采用了精简指 令集（RISC）结构，最高频率 25MHz，处理能力较 51 单片机强大。片内资源较为丰富，具 有超低功耗的优点，自带 12 位 A/D 及 PWM 输出等功能。 综合以上两种方案，选择方案二。 3.MOS 管驱动方案的论证与选择 方案一：使用三极管构成 MOS 管驱动电路。三极管在使用过程中容易发生饱和，三极管 的饱和深度与极间电容会影响延迟时间和开关速度。此外，三极管的驱动电流不容易控制， 且不易驱动高侧 MOS 管，故不适合本设计。 方案二：使用 MOS 管驱动芯片 IR2110。IR2110 具有独立的高端和低端输入通道，工作 频率可达 500kHz，最大延迟匹配时间 10ns，上升下降时间分别为 120ns 和 90ns,其高端悬浮 驱动电源采用自举电路解决 MOS 管的浮地驱动问题，该方式使用较为广泛。 方案三：使用 TI 公司的 UCC27211 驱动芯片。该芯片也为高侧低侧独立驱动，最大引导 电压 120V，峰值电流 4A，最大延迟匹配时间 2ns，上升下降时间分别为 7.2ns 和 5.5ns，相比 于 IR2110 具有明显的驱动能力优势和快速性优势。 综合以上三种方案，采用方案三。 二、理论分析与计算 1.系统电路的分析 （1）主电路拓扑的分析 主电路采用同步整流 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器。如图 1 所示。 图 1 主电路拓扑图 3 Q1Q2LC2C1+_V1+_V2
    ①降压同步 Buck 电路工作方式。如图 2 所示。 图 2 同步 Buck 电路工作方式图 在同步 Buck 电路工作方式中，使用一个开关管替换基本 Buck 电路中的续流二极管。Q1 作为主开关管，Q2 起续流作用。Q1 导通时，Q2 关断，电流通过电感 L 至负载，并将电能储 存在 L 和 C2 中（电流方向如图 2 中虚线所示）；Q1 关断时，Q2 导通，起续流作用，储存在 L 和 C2 上的电能转化为电流继续向负载输出（电流方向如图 2 中实线所示）。 ②升压同步 Boost 电路工作方式。如图 3 所示 图 3 同步 Boost 电路工作方式图 在升压同步 Boost 电路工作方式中，Q2 作为主开关管，Q1 起续流作用。Q2 关断时，Q1 导 通，起续流作用，电流经过电感 L 和 Q1 给 C1 充电，同时为负载提供能量（电流方向如图 3 中虚线所示）；当 Q2 导通时，Q1 关断，电流经过电感 L，电感储能，同时电容 C1 上的能量向 负载释放（电流方向如图 3 中实线所示）。 （2）驱动电路的分析 为保证 MOS 管饱和导通，通常要求栅极驱动电压比漏极电压高 10~15V。在同步整流技 术中，高侧 MOS 管漏极电压为输入电压，要保证其充分导通，其栅极驱动电压应比输入电压 还高，因此如何驱动高侧 MOS 管是一个难点。本设计采用专用 MOS 驱动芯片，利用自举升 压和浮地驱动的原理解决了高侧 MOS 管的驱动问题。 图 4 MOS 管驱动原理图 如图 4 所示，UCC27211 驱动芯片内部集成了自举二极管，外部自举电容在 MOS 管关 断时通过二极管充电达到电源电压 VDD，自举电容的负极与 MOS 管源极相连作为浮地，构 成浮动电源，使栅极电压高于 MOS 管源极电压，保证 MOS 管的导通。 4 Q1Q2LC2C1+_Vin1+_Vo1Q1Q2LC2C1+_Vo2+_Vin2
    2.主电路参数的计算 （1）开关频率的选择 电源开关频率的选择是一个复杂的权衡过程。如果使用较高的开关频率，可以使用更小 的电感感量与电容容值来达到滤波效果，但 MOS 管的开关损耗会增加，导致电源效率降低； 如果使用较低的开关频率，MOS 管的开关损耗会降低，但所需的电感电容的体积就较大，电 感的磁芯损耗也会增高。经过大量实验，本设计选用 40kHz 的工作频率。 （2）主电路电感的计算 电感感量计算公式为： 式中 Io 为输出电流额定值，Vin 为输入电压额定值， 为开关频率，D 为占空比。 在此电路中 为 40kHz，锂电池组输入电压 Vin 为 20V，满足输出电压为 30V，计算得 D 为 0.33，Io1 = 1A，所以，在此电路中 （实际电路中取 L 为 220μH。) （3）主电路电容的计算 电容计算公式为： 式中 Uo 为输出电压，D 为占空比，L 为电感值， 为工作频率， 为电容峰峰值纹波 电压。此电路中 Uo 为 30V， 为 20mV，计算得 （实际电路中取 C 为 2200μF。） （4）主电路功耗的计算 ①MOS 管损耗: MOSFET 的总损耗由通态损耗、开关损耗和栅极充放电损耗组成。而其 中通态损耗和开关损耗是主要损耗。 tr 和 tf 为 MOS 管导通和关断时间，QGate 为 MOS 管栅源之间的电荷，VGS 为栅源电压。 ②电容器损耗：电容器损耗主要由 Resr 产生，若电容电流为 I，则电容损耗为 ③电感损耗：分为磁芯损耗和 DC 损耗，直流损耗是由电感的直流电阻引起的，可以明 确计算，磁芯损耗是由于电压波动产生的，一般不易计算，则电感损耗为 RCu 为电感的绕组电阻，Pcore 为电感的磁芯损耗。 5 fIDVDLoin2)1(ffμH5510401233.020)33.01(2)1(3fIDVDLoincoULfDDUC28)1(fCUUcμF11810201040102208)33.01(33.0308)1(36262coULfDDUCfVQfttIVDRIPGSGatefroinDSMOSFET)(21)on(2oesrCRIP2coreu2inductorPRIPCo
    3.提高效率的方法及实现方案 (1)采用同步整流方式 在基本 Buck/Boost 电路中，续流二极管即使采用肖特基二极管，仍有较大压降，尤其在 大电流输出时，续流二极管上有很大的功率损耗。本设计采用同步整流技术，以 MOS 管替代 续流二极管，其导通电阻极小，大大降低了损耗。 (2)采用准方波零电压软开关方式 传统的 PWM 控制 MOS 管开通和关断方式，MOS 管工作在“硬开关”状态，导通和关断 时会产生较大的开关损耗。为克服以上缺陷，采用软开关方式实现零电压导通和零电流关断， 理论上可以消除开关损耗。本设计采用的是准方波零电压软开关方式。如图 5 所示： 图 5 准方波双向 DC-DC 变换器 在原电路的基础上在 MOS 管旁反向并联一个二极管。这样使得每一个 MOS 管在导通前 有电流流过其反并联二极管，MOS 管两端的电压被降低到零，这样为功率开关提供了零电压 开通条件。 (3)合理选择器件 采用导通电阻仅有 2.0mΩ 的 CSD19506 N 沟道功率 MOSFET，降低了开关管的通态损 耗；选择合适的电流检测方案，检流电阻仅有 20mΩ，适当增加电感的线径，并且尽量使用粗 导线，降低了电阻损耗；使用低 ESR 的电解电容器。 三、电路与程序设计 1.电路设计 （1）系统总体框图 系统总体框图如图 6 所示。 6 图 6 系统总体框图 Q1LC2C1Q2+_V1+_V2锂电池组双向DC-DC变换器稳压电源负载MSP430F5529主控制器PWM驱动电路电流采样电路电压采样电路电压采样电路辅助电源键盘屏幕显示测控电路
    （2）主电路及检测电路设计与电路原理图 图 7 主电路原理图 主电路原理如前文所述。电路中信号地与电源地隔离，通过一个 0Ω 电阻单点连接，避免 干扰。 电压检测方式：在电路两端分别采用电阻分压，接电压跟随器（见附录 1 图 2）后，由单 片机 AD 采集，进行电压检测。 电流检测方式：使用电流检测芯片 INA282，由该芯片将检流电阻上的压降放大 50 倍， 再由单片机 AD 采集，进行电流检测。 （3）驱动电路原理图 图 8 驱动电路原理图 驱动电路原理如前文所述。电路中 C5、C6 为自举电容；R1、R2 为栅极驱动电阻，避免 MOS 管开通时产生振铃；D2、D3 可以起到加快 MOS 管关断速度的作用； R11、R12 为下拉电 阻，避免在没有输入 PWM 时发生误导通。 （4）辅助电源的设计 辅助电源模块由 MP1584 开关稳压模块、7815 三端稳压器组成。为 MOS 驱动芯片及测 控电路提供 15V 及 5V 的工作电压。原理图见附录 1 图 1。 7
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