V，输出电压在1.25～32 V可调，最大输出电流可达5 A的高效降压方案

基本信息

一、设计方案及工作原理

1.预期目标定位

设计并制作一套完整的双向DC-DC变换器，以STM32F407单片机作为主控制器，通过软件编程控制硬件电路实现单一充电。单一放电和充放电自动切换：充电模式下，直接由键盘操作实现恒流充电电流在1～2 A之间步进可调，且步进值不大于0.1 A，电流控制精度不低于5%，电流测量精度不低于2%，I1=2 A，U2在24～36 V范围内变化时充电电流变化率不大于1%，I1=2 A，U2=30 V条件下充电效率不低于90%，且具有过充保护功能；放电模式下，保持U2为(30±0.5)V，此时变换器效率不低于95%，US在24～38 V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输出电压U2=(30±0.5)V。整个过程中操作和电路状态要达到实时显示，装置总重不超过500 g。预期目标装置示意图如图A-8-1所示。

一、设计方案及工作原理

1.预期目标定位

设计并制作一套完整的双向DC-DC变换器，以STM32F407单片机作为主控制器，通过软件编程控制硬件电路实现单一充电。单一放电和充放电自动切换：充电模式下，直接由键盘操作实现恒流充电电流在1～2 A之间步进可调，且步进值不大于0.1 A，电流控制精度不低于5%，电流测量精度不低于2%，I1=2 A，U2在24～36 V范围内变化时充电电流变化率不大于1%，I1=2 A，U2=30 V条件下充电效率不低于90%，且具有过充保护功能；放电模式下，保持U2为(30±0.5)V，此时变换器效率不低于95%，US在24～38 V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输出电压U2=(30±0.5)V。整个过程中操作和电路状态要达到实时显示，装置总重不超过500 g。预期目标装置示意图如图A-8-1所示。

图A-8-1　预期目标装置示意图

2.技术方案分析比较

(1)双向DC-DC变换模块的论证与选择

方案1：电压源全桥移相式双向DC-DC变换器，该方案通过采用移相的方法来控制功率的流向和大小，常用在大功率场合。但是环流能量较大，且由于主要使用变压器漏感传递能量，所以效率较低，不能满足高转换效率的要求，而且控制复杂。

方案2：由分离元器件直接搭建出经典Boost电路和Buck电路，再由STM32单片机直接发SPWM波控制MOSFET的导通或关闭，从而实现升降压。该方案对软件要求较高，同时要考虑到MOS管的隔离驱动等问题，因此外围电路比较复杂，而本次设计对效率要求很高，太多外围电路严重影响到电路的效率。

方案3：由集成电路芯片实现，降压部分选用XL4015芯片，该芯片内部集成PWM控制Buck电路，内置功率MOSFET，固定开关频率高达180 kHz，占空比为0～100%连续可调。输入电压允许范围是8～32 V，输出电压在1.25～32 V范围内可调，最大输出电流可达5 A，可通过反馈网络调节输出电压和电流，并且集成了过流保护电路。

升压部分选用SG3525芯片驱动，分离器件构成Boost升压电路。将升、降压部分分离开，辅以集成芯片实现，外围电路简单，控制灵活，调试容易且效率和稳定性都更高。

综合以上两种方案考虑，选择方案3，因其更容易在简单的外围和软件控制下实现高效率变换。

(2)控制方案的论证与选择

方案1：STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，32位CPU。外围接口丰富，运算速度快，功能强大。

方案2：51单片机编程比较简单，但是功能少，外围电路复杂，需要外扩AD/DA采样模块，比较麻烦，速度和控制精度都不符合要求。

经过对比，选择方案1。

(3)辅助电源的论证与选择

方案1：线性稳压电源方案。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源，它的输出电压比输入电压低，反应速度快，输出纹波较小；但发热量较大，不利于节能和高效率要求的场合。并且线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成，这些部分增加了整个双向DC-DC变换器的重量，因此不宜采用该设计方案。

方案2：基于LM2596芯片的电源方案。LM2596芯片是德州仪器生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。通过该芯片可以产生5 V的标准电压，而且电路结构简单，容易实现，系统整体重量可以减小很多。

综合以上两种方案，选择方案2。

3.系统结构工作原理

双向DC-DC变换电路其核心部分就是Boost电路和Buck电路。其中充电模式下，由于输入电压较大，要实现电池正常充电就必须降压，此时主要由Buck电路发挥作用；而当电池充满时可以向负载提供电能，此时电压需达到一定值，本设计中要求电压达到30 V。由于直接由电池供电的电压远达不到要求，因此我们需要用Boost电路实现升压。在单一电路工作状态下模式简单，只需要软件控制一个继电器就可实现不同工作模式的切换。

如图A-8-2为系统总体结构框图。

图A-8-1　预期目标装置示意图

2.技术方案分析比较

(1)双向DC-DC变换模块的论证与选择

方案1：电压源全桥移相式双向DC-DC变换器，该方案通过采用移相的方法来控制功率的流向和大小，常用在大功率场合。但是环流能量较大，且由于主要使用变压器漏感传递能量，所以效率较低，不能满足高转换效率的要求，而且控制复杂。

方案2：由分离元器件直接搭建出经典Boost电路和Buck电路，再由STM32单片机直接发SPWM波控制MOSFET的导通或关闭，从而实现升降压。该方案对软件要求较高，同时要考虑到MOS管的隔离驱动等问题，因此外围电路比较复杂，而本次设计对效率要求很高，太多外围电路严重影响到电路的效率。

方案3：由集成电路芯片实现，降压部分选用XL4015芯片，该芯片内部集成PWM控制Buck电路，内置功率MOSFET，固定开关频率高达180 kHz，占空比为0～100%连续可调。输入电压允许范围是8～32 V，输出电压在1.25～32 V范围内可调，最大输出电流可达5 A，可通过反馈网络调节输出电压和电流，并且集成了过流保护电路。

升压部分选用SG3525芯片驱动，分离器件构成Boost升压电路。将升、降压部分分离开，辅以集成芯片实现，外围电路简单，控制灵活，调试容易且效率和稳定性都更高。

综合以上两种方案考虑，选择方案3，因其更容易在简单的外围和软件控制下实现高效率变换。

(2)控制方案的论证与选择

方案1：STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，32位CPU。外围接口丰富，运算速度快，功能强大。

方案2：51单片机编程比较简单，但是功能少，外围电路复杂，需要外扩AD/DA采样模块，比较麻烦，速度和控制精度都不符合要求。

经过对比，选择方案1。

(3)辅助电源的论证与选择

方案1：线性稳压电源方案。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源，它的输出电压比输入电压低，反应速度快，输出纹波较小；但发热量较大，不利于节能和高效率要求的场合。并且线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成，这些部分增加了整个双向DC-DC变换器的重量，因此不宜采用该设计方案。

方案2：基于LM2596芯片的电源方案。LM2596芯片是德州仪器生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。通过该芯片可以产生5 V的标准电压，而且电路结构简单，容易实现，系统整体重量可以减小很多。

综合以上两种方案，选择方案2。

3.系统结构工作原理

双向DC-DC变换电路其核心部分就是Boost电路和Buck电路。其中充电模式下，由于输入电压较大，要实现电池正常充电就必须降压，此时主要由Buck电路发挥作用；而当电池充满时可以向负载提供电能，此时电压需达到一定值，本设计中要求电压达到30 V。由于直接由电池供电的电压远达不到要求，因此我们需要用Boost电路实现升压。在单一电路工作状态下模式简单，只需要软件控制一个继电器就可实现不同工作模式的切换。

如图A-8-2为系统总体结构框图。

图A-8-2　系统总体结构框图

4.功能指标实现方法

本系统设计采用硬件分离、软件结合的主体控制思路，将充电和放电回路分离开设计，大大简化了系统整体设计的复杂程度，然后再用软件进行结合控制，不仅切换灵活而且精度和效率都大大提高。

Buck电路中使用的是芯龙半导体有限公司的XL4015降压芯片，它支持8～36 V宽输入电压，1.25～32 V电压输出，最大输出电流可达5 A，180 kHz PWM波占空比0～100%连续调节，对于本次设计来说各个参数指标均满足要求，可实现电流步进调节且稳定输出。只需要在芯片FB端引出双线，同时对电压和电流进行双环控制：电压环由自环实现，在输出端接入分压网络限制最大输出电压；电流环由单片机控制，外接一个电压比较器，比较器反相输入端接单片机给定电压值，同相端为一个50 mΩ采样电阻采样输入，比较器输出端接到芯片FB端。这样当任意一环先达到动作条件时就可起控，电压超过设定值时电压环起控，电压未超过设定值时电流环起控。

Boost电路采用SG3525作为PWM波控制芯片，它是一款性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，简单可靠，使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。它的开关频率可以在100 Hz～400 kHz之间调节，想改变开关频率只需要改变外围一个RC阻容网络RT和CT就可以调节，十分方便。芯片内置5.1 V基准电压，可直接引到误差放大器的反相输入端作为给定，不需外加电压给定电路，十分方便。

同时，为了达到题目中的高效率要求，我们采取了如下措施：第一，采用低功耗器件能有效提高装置的转换效率，MOSFET开关频率较高，开关损耗低，因而可以通过软件控制MOSFET快速开通与关断；第二，通过合理布线，提高线径，可以有效减少能量在传输过程中的损耗，减少电磁干扰；第三，采用集成芯片代替分立器件搭建电路，集成芯片具有更高效率和可靠性，能有效减小装置的体积、重量以及各种损耗。

5.测量控制分析处理

(1)测试方法

依据题目要求测量：

①接通S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。此时把电流表和电压表接入电路中相应位置，保持U2=30 V，由键盘操作给定电流值，在1～2 A之间步进调节，记录LCD显示的给定值和电流表显示的实际值；

②键盘设定I1=2 A，调节U2在24～36 V内变化，观察I1值的变化并记录。记录完成后调节U2=30 V，I1=2 A，记录输入、输出的电压、电流；

③在电池组后面串入一个滑动变阻器，设定I1=2 A，增大变阻器阻值，升高U1，当U1超过阈值，U1th=24±0.5 V时，记录装置是否能停止充电并记录相应保护阈值电压；

④断开S1、接通S2，将装置设定为放电模式，记录U1、U2、I1、I2；

⑤接通S1、S2，断开S3，调整直流稳压电源输出电压，使US在32～38 V范围内变化，同时记录U2的值；

⑥用天平进行称重。

(2)测试条件与仪器

测试条件：硬件电路必须与系统原理图完全相同，多次检查无误，硬件电路保证无虚焊。

系统测试主要使用的仪器：

电源：固纬GPO3303或3303D；

示波器：泰克DPO2012B或TDS1012B，100 M双通道；

信号源：吉时利3900，1 μH～50 MHz；

台式多用表：吉时利2100(6位半)或禄克8808A(5位半)。

二、核心部件电路设计

1.关键器件性能分析

主控制器STM32F4：高性能微处理器，运算速度快，完全可以满足电路频率要求。

Boost驱动芯片SG3525：通用性强，推拉输出形式，软启动控制，使用时简单方便。

Buck核心芯片XL4015：内部集成PWM控制电路，内置大功率MOSFET，固定开关频率为180 kHz，占空比0～100%连续可调。输入电压允许范围是8～32 V，输出电压在1.25～32 V范围内可调，完全可以满足题目要求。

MOSFET：采用TI公司生产的CSD16415系列大功率管，可大大降低功率损耗，保证了高效率。

电流检测ACS712：工业级的电流传感器，内置线性霍尔元件，检测精度高。

2.电路结构工作机理

电路主要变换部分由Boost电路与Buck电路构成双向并联结构。以STM32F4为主控制器，根据反馈信号对电流电压给定信号做出调整，从而可实现单一充电模式、单一放电模式和充放电自动切换模式。同时，显示屏会实时显示当前电路参数和状态模式。具体电路模块工作原理如下所述。

(1)Buck电路工作原理

Buck电路工作时主要是对电流进行调节，此时电路处于恒流状态。当电路上电后单片机自动设置为模式0，即充电模式。此时电路处于保护状态，单片机电流给定值为0，电源开关闭合但是电路中没有电流通过。这时候由键盘设置充电电流值，单片机将对应键盘输入由DA输出一个电压值(32单片机DA电压输出范围0～3.3 V，而硬件电路中50 mV给定电压对应1 A电流，所以需要一个电阻网络将电压值缩小30倍)作为电流值给定，此时硬件电路会根据DA的给定值由芯片自环实现电流的自动稳定，同时单片机还会随时采集电流值和给定值进行比较，当发现给定值和真实值有偏差时迅速做出反应，即自加或自减直到稳定到目标值，由此实现电流的实时控制和调节。当单片机采样电压一旦超过24 V时视为过压，迅速将电流给定降至0，同时电路发出报警信号，实现电路过压保护。

如图A-8-3为Buck电路原理图。

图A-8-2　系统总体结构框图

4.功能指标实现方法

本系统设计采用硬件分离、软件结合的主体控制思路，将充电和放电回路分离开设计，大大简化了系统整体设计的复杂程度，然后再用软件进行结合控制，不仅切换灵活而且精度和效率都大大提高。

Buck电路中使用的是芯龙半导体有限公司的XL4015降压芯片，它支持8～36 V宽输入电压，1.25～32 V电压输出，最大输出电流可达5 A，180 kHz PWM波占空比0～100%连续调节，对于本次设计来说各个参数指标均满足要求，可实现电流步进调节且稳定输出。只需要在芯片FB端引出双线，同时对电压和电流进行双环控制：电压环由自环实现，在输出端接入分压网络限制最大输出电压；电流环由单片机控制，外接一个电压比较器，比较器反相输入端接单片机给定电压值，同相端为一个50 mΩ采样电阻采样输入，比较器输出端接到芯片FB端。这样当任意一环先达到动作条件时就可起控，电压超过设定值时电压环起控，电压未超过设定值时电流环起控。

Boost电路采用SG3525作为PWM波控制芯片，它是一款性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，简单可靠，使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。它的开关频率可以在100 Hz～400 kHz之间调节，想改变开关频率只需要改变外围一个RC阻容网络RT和CT就可以调节，十分方便。芯片内置5.1 V基准电压，可直接引到误差放大器的反相输入端作为给定，不需外加电压给定电路，十分方便。

同时，为了达到题目中的高效率要求，我们采取了如下措施：第一，采用低功耗器件能有效提高装置的转换效率，MOSFET开关频率较高，开关损耗低，因而可以通过软件控制MOSFET快速开通与关断；第二，通过合理布线，提高线径，可以有效减少能量在传输过程中的损耗，减少电磁干扰；第三，采用集成芯片代替分立器件搭建电路，集成芯片具有更高效率和可靠性，能有效减小装置的体积、重量以及各种损耗。

5.测量控制分析处理

(1)测试方法

依据题目要求测量：

①接通S1、S3，断开S2，将装置设定为充电模式。此时把电流表和电压表接入电路中相应位置，保持U2=30 V，由键盘操作给定电流值，在1～2 A之间步进调节，记录LCD显示的给定值和电流表显示的实际值；

②键盘设定I1=2 A，调节U2在24～36 V内变化，观察I1值的变化并记录。记录完成后调节U2=30 V，I1=2 A，记录输入、输出的电压、电流；

③在电池组后面串入一个滑动变阻器，设定I1=2 A，增大变阻器阻值，升高U1，当U1超过阈值，U1th=24±0.5 V时，记录装置是否能停止充电并记录相应保护阈值电压；

④断开S1、接通S2，将装置设定为放电模式，记录U1、U2、I1、I2；

⑤接通S1、S2，断开S3，调整直流稳压电源输出电压，使US在32～38 V范围内变化，同时记录U2的值；

⑥用天平进行称重。

(2)测试条件与仪器

测试条件：硬件电路必须与系统原理图完全相同，多次检查无误，硬件电路保证无虚焊。

系统测试主要使用的仪器：

电源：固纬GPO3303或3303D；

示波器：泰克DPO2012B或TDS1012B，100 M双通道；

信号源：吉时利3900，1 μH～50 MHz；

台式多用表：吉时利2100(6位半)或禄克8808A(5位半)。

二、核心部件电路设计

1.关键器件性能分析

主控制器STM32F4：高性能微处理器，运算速度快，完全可以满足电路频率要求。

Boost驱动芯片SG3525：通用性强，推拉输出形式，软启动控制，使用时简单方便。

Buck核心芯片XL4015：内部集成PWM控制电路，内置大功率MOSFET，固定开关频率为180 kHz，占空比0～100%连续可调。输入电压允许范围是8～32 V，输出电压在1.25～32 V范围内可调，完全可以满足题目要求。

MOSFET：采用TI公司生产的CSD16415系列大功率管，可大大降低功率损耗，保证了高效率。

电流检测ACS712：工业级的电流传感器，内置线性霍尔元件，检测精度高。

2.电路结构工作机理

电路主要变换部分由Boost电路与Buck电路构成双向并联结构。以STM32F4为主控制器，根据反馈信号对电流电压给定信号做出调整，从而可实现单一充电模式、单一放电模式和充放电自动切换模式。同时，显示屏会实时显示当前电路参数和状态模式。具体电路模块工作原理如下所述。

(1)Buck电路工作原理

Buck电路工作时主要是对电流进行调节，此时电路处于恒流状态。当电路上电后单片机自动设置为模式0，即充电模式。此时电路处于保护状态，单片机电流给定值为0，电源开关闭合但是电路中没有电流通过。这时候由键盘设置充电电流值，单片机将对应键盘输入由DA输出一个电压值(32单片机DA电压输出范围0～3.3 V，而硬件电路中50 mV给定电压对应1 A电流，所以需要一个电阻网络将电压值缩小30倍)作为电流值给定，此时硬件电路会根据DA的给定值由芯片自环实现电流的自动稳定，同时单片机还会随时采集电流值和给定值进行比较，当发现给定值和真实值有偏差时迅速做出反应，即自加或自减直到稳定到目标值，由此实现电流的实时控制和调节。当单片机采样电压一旦超过24 V时视为过压，迅速将电流给定降至0，同时电路发出报警信号，实现电路过压保护。

如图A-8-3为Buck电路原理图。

图A-8-3　Buck电路

(2)Boost电路工作原理

Boost电路工作时要求输出电压稳定到一定值，为恒压状态。此时手动将单片机模式设置为模式1，即放电模式。输出电压要求为30 V，此时由SG3525发PWM波控制Boost电路实现电压闭环自稳。该电路对硬件要求较高，对软件要求较低，单片机不需要控制电压的变化，只需实时采样并显示出此时电压和电流的值。

如图A-8-4为Boost电路PWM波产生模块的电路原理图。

图A-8-3　Buck电路

(2)Boost电路工作原理

Boost电路工作时要求输出电压稳定到一定值，为恒压状态。此时手动将单片机模式设置为模式1，即放电模式。输出电压要求为30 V，此时由SG3525发PWM波控制Boost电路实现电压闭环自稳。该电路对硬件要求较高，对软件要求较低，单片机不需要控制电压的变化，只需实时采样并显示出此时电压和电流的值。

如图A-8-4为Boost电路PWM波产生模块的电路原理图。

图A-8-4　Boost电路PWM波产生电路

(3)Buck-Boost电路实时切换原理

当输入电压在24～38 V范围内变化时，要求电路实现DC-DC双向自动切换，此时将单片机设置为模式2，即自动控制模式。当单片机采样U2一旦超过30 V时，将继电器切换为充电模式，且通过调节充电电流实现U2始终稳定在30 V；反之，电路为放电模式时，由Boost电路升压实现U2保持在30 V不变。在实际电路调试中由于电压会在30 V附近小范围波动，而单片机16位AD采样精度很高，此时系统会不断检测到U2电压的波动，从而继电器会有连续开断的动作。为解决这一问题，在U2处理函数中加入一个滞环，当电压超过30.5 V时才设置充电模式，同理，当电压低于29.5 V时才设置为放电模式。这样既可以保证U2=(30±0.5)V的精度要求，同时也可以解决继电器频繁切换问题。如图A-8-5为Boost-Buck电路自动切换原理图。

图A-8-4　Boost电路PWM波产生电路

(3)Buck-Boost电路实时切换原理

当输入电压在24～38 V范围内变化时，要求电路实现DC-DC双向自动切换，此时将单片机设置为模式2，即自动控制模式。当单片机采样U2一旦超过30 V时，将继电器切换为充电模式，且通过调节充电电流实现U2始终稳定在30 V；反之，电路为放电模式时，由Boost电路升压实现U2保持在30 V不变。在实际电路调试中由于电压会在30 V附近小范围波动，而单片机16位AD采样精度很高，此时系统会不断检测到U2电压的波动，从而继电器会有连续开断的动作。为解决这一问题，在U2处理函数中加入一个滞环，当电压超过30.5 V时才设置充电模式，同理，当电压低于29.5 V时才设置为放电模式。这样既可以保证U2=(30±0.5)V的精度要求，同时也可以解决继电器频繁切换问题。如图A-8-5为Boost-Buck电路自动切换原理图。

图A-8-5　Buck-Boost自动切换电路

3.核心部分参数计算

(1)降压电路元器件参数的计算

①减小纹波的电容选择

为了得到较好的充电电压，我们需要对降压芯片输出的电压进行滤波。电容对地滤波，需要一个较小的电容并联对地，为高频信号提供了一个对地通路。根据经验，小电容一般取105。选择大电容滤除低频信号，提供恒定的充电。根据经验，此电容越大，得到的电压越稳定，但考虑到工程实际的要求、整体电路的重量，以及降压芯片的效果，本电路选择330 μF的电解电容。电压将一大一小两个电容并联，一般相差两个数量级以上，可以获得更大的滤波频段，故该方案实际可行。

②滤波电感的选择

滤波电感大，系统响应速度就慢，但纹波系数小；如果滤波电感小，系统响应速度就快，但纹波系数大。综合上述两点，选取的电感应保证流过其中的电流纹波不超过额定输出电流的10%。

MOSFET开通期间，根据电感特性可推出下面公式：

图A-8-5　Buck-Boost自动切换电路

3.核心部分参数计算

(1)降压电路元器件参数的计算

①减小纹波的电容选择

为了得到较好的充电电压，我们需要对降压芯片输出的电压进行滤波。电容对地滤波，需要一个较小的电容并联对地，为高频信号提供了一个对地通路。根据经验，小电容一般取105。选择大电容滤除低频信号，提供恒定的充电。根据经验，此电容越大，得到的电压越稳定，但考虑到工程实际的要求、整体电路的重量，以及降压芯片的效果，本电路选择330 μF的电解电容。电压将一大一小两个电容并联，一般相差两个数量级以上，可以获得更大的滤波频段，故该方案实际可行。

②滤波电感的选择

滤波电感大，系统响应速度就慢，但纹波系数小；如果滤波电感小，系统响应速度就快，但纹波系数大。综合上述两点，选取的电感应保证流过其中的电流纹波不超过额定输出电流的10%。

MOSFET开通期间，根据电感特性可推出下面公式：

经过变换可得：

经过变换可得：

式中，Io为输出电流，fs为芯片工作频率。代入数据，得L≥30.1 μH，这里L取值为47 μH。

(2)升压电路元器件参数的选择

①升压电感

取D=0.5，可以计算出其最小取值为：

式中，Io为输出电流，fs为芯片工作频率。代入数据，得L≥30.1 μH，这里L取值为47 μH。

(2)升压电路元器件参数的选择

①升压电感

取D=0.5，可以计算出其最小取值为：

本文取电感为120 μH。

②输出滤波电容

该电容的选择要满足输出电压保持时间，可以按照下面的公式进行计算：

本文取电感为120 μH。

②输出滤波电容

该电容的选择要满足输出电压保持时间，可以按照下面的公式进行计算：

本文取电容大小为430 μF。

3.电路实现调试测试

首先把各模块连接好，将万用表接入预留的测试点，开关恢复到初始状态，接好电池和电源后开始测试。开始第一步测试时，将开关打到合适位置，单片机调到模式0，给定电流为1 A，按步进键开始在1～2 A范围内步进。U2=30 V条件下步进电流，按照公式eic=|(I1-I10)/I10|×100%计算精度值，如表A-8-1所示。然后调节电路，使U2=36 V，测出充电电流为I11，使U2=30 V，测出充电电流为I1，使U2=24 V，测出充电电流为I12，则电流变化率SI1=|(I11-I12)/I1|×100%，如表A-8-2所示。设定I1=2 A，在U2=30 V条件下观察万用表在双向变换器两端显示的电压、电流值。代入公式η1=|P1/P2|×100%，η2=|P2/P1|×100%，计算效率，填入表A-8-4中。在电池一端接入滑线变阻器，调节滑线变阻器使U1=(24±0.5)V时停止充电，同时单片机发出报警信号，此时记录U2的值。断开S1、接通S2，将装置设定为模式1，即放电模式，此时保持U2=30±0.5 V，计算变换器效率，填入表A-8-5中。接下来将系统调节为模式2，开关打到合适位置，调节US在32～38 V之间变换，并实时观测U2值的变化，看是否稳定在U2=(30±0.5)V。

以上所有结果经计算如果与实际要求偏差超过误差范围，则进行硬件和软件的优化，直至系统符合要求。

三、系统软件设计分析

1.程序功能描述

按题目要求软件部分主要实现按键设置，电路参数的采样与显示，模式自动切换。

①键盘实现功能：设置给定充电电流，小于0.1 A步进调节；工作模式的切换。

②显示部分：显示电压值、电流值、步进值、工作模式。

③模式控制：根据采样的反馈电压控制系统自动在充、放电模式下切换。

2.程序设计思路

当电路接通上电后，内部所有程序复位。此时利用键盘进行模式选择，即模式0为充电模式，模式1为放电模式，模式2为自动切换模式。当模式设定完成后，程序自动依据键盘输入值选择与之对应的程序模块。对应模式0时由CPU接收键盘指令，得到电流给定值经内部DA程序转换后给出。此时AD电路采样真实电流值，反馈给CPU，CPU经过与给定值对比之后不断做出调整，使实际值尽量接近于真实值；放电模式则相对简单，只需采样显示，并且判断出U2是否在(30±0.5)V范围内，并作出相应调整；自动调节模式下就需要实时采集电流电压值，实时确保U2在(30±0.5)V范围内。

3.程序流程图

如图A-8-6为主程序流程图。

本文取电容大小为430 μF。

3.电路实现调试测试

首先把各模块连接好，将万用表接入预留的测试点，开关恢复到初始状态，接好电池和电源后开始测试。开始第一步测试时，将开关打到合适位置，单片机调到模式0，给定电流为1 A，按步进键开始在1～2 A范围内步进。U2=30 V条件下步进电流，按照公式eic=|(I1-I10)/I10|×100%计算精度值，如表A-8-1所示。然后调节电路，使U2=36 V，测出充电电流为I11，使U2=30 V，测出充电电流为I1，使U2=24 V，测出充电电流为I12，则电流变化率SI1=|(I11-I12)/I1|×100%，如表A-8-2所示。设定I1=2 A，在U2=30 V条件下观察万用表在双向变换器两端显示的电压、电流值。代入公式η1=|P1/P2|×100%，η2=|P2/P1|×100%，计算效率，填入表A-8-4中。在电池一端接入滑线变阻器，调节滑线变阻器使U1=(24±0.5)V时停止充电，同时单片机发出报警信号，此时记录U2的值。断开S1、接通S2，将装置设定为模式1，即放电模式，此时保持U2=30±0.5 V，计算变换器效率，填入表A-8-5中。接下来将系统调节为模式2，开关打到合适位置，调节US在32～38 V之间变换，并实时观测U2值的变化，看是否稳定在U2=(30±0.5)V。

以上所有结果经计算如果与实际要求偏差超过误差范围，则进行硬件和软件的优化，直至系统符合要求。

三、系统软件设计分析

1.程序功能描述

按题目要求软件部分主要实现按键设置，电路参数的采样与显示，模式自动切换。

①键盘实现功能：设置给定充电电流，小于0.1 A步进调节；工作模式的切换。

②显示部分：显示电压值、电流值、步进值、工作模式。

③模式控制：根据采样的反馈电压控制系统自动在充、放电模式下切换。

2.程序设计思路

当电路接通上电后，内部所有程序复位。此时利用键盘进行模式选择，即模式0为充电模式，模式1为放电模式，模式2为自动切换模式。当模式设定完成后，程序自动依据键盘输入值选择与之对应的程序模块。对应模式0时由CPU接收键盘指令，得到电流给定值经内部DA程序转换后给出。此时AD电路采样真实电流值，反馈给CPU，CPU经过与给定值对比之后不断做出调整，使实际值尽量接近于真实值；放电模式则相对简单，只需采样显示，并且判断出U2是否在(30±0.5)V范围内，并作出相应调整；自动调节模式下就需要实时采集电流电压值，实时确保U2在(30±0.5)V范围内。

3.程序流程图

如图A-8-6为主程序流程图。

图A-8-6　主程序流程图

四、竞赛工作环境条件

1.设计分析软件环境

Windows8操作系统，使用Matlab、IAR、Keil、Protues等编程设计仿真软件。

2.仪器设备硬件平台、配套加工安装条件

直流稳压电源，函数信号发生器，示波器，电焊台，电钻，胶枪等。

3.前期设计使用模块

前期设计用电阻代替电池组当负载，用直流稳压电源调节作为输入电压，直接改接导线来替代开关作用。降压、升压部分分开使用，做好的模块单独测试，当系统组装完成后，上电池组和开关电路整体测试。

五、作品成效总结分析

1.系统测试性能指标

测试结果及分析如下：

(1)U2=30 V条件下步进电流测试与电流精度测量，按上述公式计算电流精度，填入表A-8-1。

表A-8-1　电流精度测量数据记录表

图A-8-6　主程序流程图

四、竞赛工作环境条件

1.设计分析软件环境

Windows8操作系统，使用Matlab、IAR、Keil、Protues等编程设计仿真软件。

2.仪器设备硬件平台、配套加工安装条件

直流稳压电源，函数信号发生器，示波器，电焊台，电钻，胶枪等。

3.前期设计使用模块

前期设计用电阻代替电池组当负载，用直流稳压电源调节作为输入电压，直接改接导线来替代开关作用。降压、升压部分分开使用，做好的模块单独测试，当系统组装完成后，上电池组和开关电路整体测试。

五、作品成效总结分析

1.系统测试性能指标

测试结果及分析如下：

(1)U2=30 V条件下步进电流测试与电流精度测量，按上述公式计算电流精度，填入表A-8-1。

表A-8-1　电流精度测量数据记录表

续表

续表

(2)I1=2 A，U2在24～36 V范围内测电流变化率，数据计入表A-8-2。

表A-8-2　电流变化率测量数据记录表

(2)I1=2 A，U2在24～36 V范围内测电流变化率，数据计入表A-8-2。

表A-8-2　电流变化率测量数据记录表

(3)测量并显示充电电流，数据计入表A-8-3。

表A-8-3　充电电流测量值与显示值记录表

(3)测量并显示充电电流，数据计入表A-8-3。

表A-8-3　充电电流测量值与显示值记录表

(4)在I1=2 A，U2=30 V的条件下，测量效率，数据计入表A-8-4。

表A-8-4　充电效率测量数据记录表

(4)在I1=2 A，U2=30 V的条件下，测量效率，数据计入表A-8-4。

表A-8-4　充电效率测量数据记录表

(5)放电模式下U2=(30±0.5)V，测量效率，数据计入表A-8-5。

表A-8-5　放电效率测量数据记录表

(5)放电模式下U2=(30±0.5)V，测量效率，数据计入表A-8-5。

表A-8-5　放电效率测量数据记录表

2.成效得失对比分析

根据计算值可知，系统满足题目中各项指标要求。I1=2 A，U2=30 V的条件下效率高达92%，U2=(30±0.5)V条件下效率高达96%。U2=30 V条件下充电电流在1～2 A范围内步进可调，步进值可精确到小数点后两位，控制精度在1%以内。I1=2 A，U2在24～36 V范围内变化时，充电电流变化率在1%以内，测量显示电流与实测电路电流相差极其小。US在32～38 V变化时，电路能自动转换工作模式并保持U2=(30±0.5)V。单片机可以采样显示电流、电压及工作模式，按键可实现模式切换，步进电流可调。

3.创新特色总结展望

本作品最大的创新之处在于对芯片的利用，完美地实现恒压、恒流之间的控制和转换。在Buck电路恒流方案设计中，设置电压、电流双闭环控制。利用XL4015内部1.25 V基准电压的反馈接口进行双路控制，电压环由芯片自环实现，用来限制最高充电电压；而电流环由单片机辅助实现闭环，在电压不超过最大设定值时，电流环起控，可实现实时精准控制。在转换工作方式时运用滞环控制的思想，利用继电器切换回路，使得Buck电路和Boost电路实现电气上的分离，防止电路直通等情况发生，运用更加安全。整个系统电路均采用模拟芯片内置PWM发波控制MOS管开关，单片机只实现数值给定、采样对比、实时显示、报警等功能。这样一来，减小了软件编写程序的难度，同时又大大提高了整个系统的工作效率。

当然，由于时间紧迫，在上述创新中，并没有对系统做进一步的优化。虽然系统总重只有200多克，完全符合发挥部分要求，但是相对而言集成度不够，体积没有达到我们预期的要求。还有在精度的准确性和稳定性上也存在进一步优化的空间，在后续的研究和学习过程中，我们将更加系统、完整地对电路进行优化和完善，希望作品可以达到更高的水平。

六、参考资料

［1］许海平.大功率双向DC-DC变换器拓扑结构及其分析理论研究［D］.中国科学院研究生院(电工研究所)，2005

［2］陈刚.软开关双向DC-DC变换器的研究［D］.浙江大学，2001

［3］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，2005

［4］王冕.应用于储能系统的双向DC-DC变换器研究［J］.电工技术学报，2013，28(8)：66-71

［5］康华光.电子技术基础(模拟部分)［M］.北京：高等教育出版社，2006

［6］严仰光.双向直流变换器［M］.南京：江苏科学技术出版社，2004

(本作品的图纸资料，主要模块程序清单，作品、教师、学生照片及作品的视频资料请见网站。)

2.成效得失对比分析

根据计算值可知，系统满足题目中各项指标要求。I1=2 A，U2=30 V的条件下效率高达92%，U2=(30±0.5)V条件下效率高达96%。U2=30 V条件下充电电流在1～2 A范围内步进可调，步进值可精确到小数点后两位，控制精度在1%以内。I1=2 A，U2在24～36 V范围内变化时，充电电流变化率在1%以内，测量显示电流与实测电路电流相差极其小。US在32～38 V变化时，电路能自动转换工作模式并保持U2=(30±0.5)V。单片机可以采样显示电流、电压及工作模式，按键可实现模式切换，步进电流可调。

3.创新特色总结展望

本作品最大的创新之处在于对芯片的利用，完美地实现恒压、恒流之间的控制和转换。在Buck电路恒流方案设计中，设置电压、电流双闭环控制。利用XL4015内部1.25 V基准电压的反馈接口进行双路控制，电压环由芯片自环实现，用来限制最高充电电压；而电流环由单片机辅助实现闭环，在电压不超过最大设定值时，电流环起控，可实现实时精准控制。在转换工作方式时运用滞环控制的思想，利用继电器切换回路，使得Buck电路和Boost电路实现电气上的分离，防止电路直通等情况发生，运用更加安全。整个系统电路均采用模拟芯片内置PWM发波控制MOS管开关，单片机只实现数值给定、采样对比、实时显示、报警等功能。这样一来，减小了软件编写程序的难度，同时又大大提高了整个系统的工作效率。

当然，由于时间紧迫，在上述创新中，并没有对系统做进一步的优化。虽然系统总重只有200多克，完全符合发挥部分要求，但是相对而言集成度不够，体积没有达到我们预期的要求。还有在精度的准确性和稳定性上也存在进一步优化的空间，在后续的研究和学习过程中，我们将更加系统、完整地对电路进行优化和完善，希望作品可以达到更高的水平。

六、参考资料

［1］许海平.大功率双向DC-DC变换器拓扑结构及其分析理论研究［D］.中国科学院研究生院(电工研究所)，2005

［2］陈刚.软开关双向DC-DC变换器的研究［D］.浙江大学，2001

［3］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，2005

［4］王冕.应用于储能系统的双向DC-DC变换器研究［J］.电工技术学报，2013，28(8)：66-71

［5］康华光.电子技术基础(模拟部分)［M］.北京：高等教育出版社，2006

［6］严仰光.双向直流变换器［M］.南京：江苏科学技术出版社，2004

(本作品的图纸资料，主要模块程序清单，作品、教师、学生照片及作品的视频资料请见网站。)