2013年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC变换器（A题）
2015年8月12日
摘要
本系统以Buck和Boost并联，实现双向DC-DC交换，以STM32为核心控制芯片。Buck降压模块使用XL4016开关降压型转换芯片，通过单片机闭环实现恒流输出控制。放电回路选择Boost升压模块，以UC3843作为PWM控制器，组成电压负反馈系统，通过调整PWM的占空比，实现稳压输出。系统能自动检测外部电源电压变化，在负载端电源较高时自动切换成充电模式，反之切换为放电状态。系统具有过流、过压保护功能，并可对输出电压、电流进行测量和显示。
关键字：DC-DC交换；Buck；Boost；PWM控制
Abstract
The system is Buck and Boost parallel, to achieve two-way DC-DC exchange, STM32 as the core control chip.The Buck Buck module uses the XL4016 switch Buck converter chip, takes the current signal in the output, controls the feedback of XL4016, completes the closed-loop control, and realizes the constant current output. Boost boost module uses UC3843 as the PWM control chip, according to the output voltage negative feedback signal to adjust the PWM signal, the closed-loop control is carried out, in order to achieve the regulator output.System can automatically switch charge and discharge mode, can also be manually switch. The system has the function of over current and over voltage protection, and can measure and display the output voltage and current.
Key words: bidirectional DC-DC converter, Buck, boost, PWM control
目录
1系统方案 (1)
1.1 升、降压电路的论证与选择 (1)
1.2 系统组成及控制方法 (1)
2系统理论分析与计算 (2)
2.1 电路设计与分析 (2)
2.1.1 提高效率的方法 (2)
2.1.2 控制回路分析 (2)
2.2 控制方法分析 (2)
2.3 升压、降压电路参数计算 (3)
2.3.1 元件选取 (3)
2.3.2 电感计算 (3)
3电路与程序设计 (4)
3.1电路的设计 (4)
3.1.1系统总体框图 (4)
3.1.2 充电系统原理 (4)
3.1.3 放电系统原理 (5)
3.2程序的设计 (5)
3.2.1程序功能描述与设计思路 (5)
3.2.2程序流程图 (5)
4测试方案与测试结果 (6)
4.1测试方案 (6)
4.2 测试条件与仪器 (7)
4.3 测试结果及分析 (7)
4.3.1测试结果(数据) (7)
4.3.2测试分析与结论 (7)
附录1：电路原理及实物 (8)
附录2：主要程序片段 (9)
双向DC-DC变换器（A题）
【本科组】
1系统方案
系统要求效率，所以恒压输出、稳流输出都应采用开关电路，鉴于本题目要求的功能，系统主要由恒压控制模块、恒流控制模块组成，另为了灵活调整输出参数并实时监控系统工作状态，运用单片机控制技术，还有支持系统控制系统工作的辅助电源。
1.1 升、降压电路的论证与选择
方案一：采用线性电源电路。线性控制电路控制简洁，输出波形指标良好，电路简单，但缺点是效率极低，在当前的大功率电源应用场合已被淘汰，因题目对效率的要求，这里不能采用线性电源。
方案二：正激、反激变换器。电源调整管工作在开关状态，优化调整后其效率远高于线性电源；且有可以有灵活的参数设计满足不同的需求；有大量产品级方案可供借鉴，实现起来难度不大。
方案三：当前流行的开关电源大多基于Buck、Boost基本电路拓扑结构或他们的结合，在对题目进行仔细分析后，系统需求的尽是升压和降压，在Buck、Boost基础上附加反馈控制就可完成任务，这样还可以省略繁杂的变压器参数设计，因电路简洁实现起来更加容易。并且因为使用较少的常规元件，节省成本提高可靠性，符合产品设计的思路。
综合以上分析，选择方案三。
1.2 系统组成及控制方法
方案一：系统由Buck、Boost模块实现升压、降压任务，各模块所需PWM信号的由单片机提供，单片机AD采集实时输出量，经运算后通过改变占空比调整模块工作状态。该方案电路最简单，各种控制灵活，缺点有单片机运算量过大，开关信号占空比受单片机限制，浮点运算的时延影响电路跟随，另外单片机容易受到功率管开关干扰而失灵。
方案二：使用振荡器、比较器产生PWM波，由负反馈电路实现输出控制，单片机负责状态切换和测量显示，该方案原理易于理解，但自己装调的PWM电路在开关时容易出现振铃毛刺，直接影响了系统效率，并且要完善反馈控制对回馈信号要求较高。
方案三：借用现有成熟PWM控制器，该类集成电路输出波形好，工作稳定，都具备至少一个反馈控制引脚，按照厂商提供的典型电路就可装调出应用电路。但这类电路一般针对专用场合设计，借用时需要较多设计计算，特别是该类芯片的反馈有极高的控制灵敏度，在单片机参与时需要较多改动。
为提高系统性能选择方案三，降压回路使用XL4016，升压回路以UC3843为核心，
