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雙向DC-DC變換器設計 XL4016+XL6019+單片機實現

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ID:515632 發表于 2019-4-18 17:18 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
   本設計主要由雙向DC-DC變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開關降壓型DC-DC轉換芯片，最高轉換效率可達93%，升壓部分采用XL6019開關型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉換效率高的特點。恒流部分采用PWM控制原理，形成一個閉環回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機輔助控制的方式。以上部分確保系統滿足題目要求，實現恒流充電，恒壓放電，過壓保護功能，并且有著較高的轉換效率。
在本次設計中恒壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個閉環控制回路，對電壓進行調節使其恒定題目要求的精度范圍。單片機通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由PWM調節占空比，使其恒流。

一、系統方案
1、雙向DC-DC變換電路的論證與選擇
    2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇
3、 控制方法的論證與選擇
二、系統理論分析與計算
三、電路與程序設計
1、電路的設計
（1）系統總體框圖
2、程序的設計
（1）程序功能描述與設計思路
（2）程序流程圖
    3、程序流程圖
四、測試儀器與數據分析
附錄1：電路原理圖
附錄2：源程序

一、系統方案

本設計主要由雙向DC-DC變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開關降壓型DC-DC轉換芯片，最高轉換效率可達93%，升壓部分采用XL6019開關型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉換效率高的特點。恒流部分采用PWM控制原理，形成一個閉環回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機輔助控制的方式。以上部分確保系統滿足題目要求，實現恒流充電，恒壓放電，過壓保護功能，并且有著較高的轉換效率。

    1、雙向DC-DC變換電路的論證與選擇方案1:由降壓斬波變換電路(即Buck變換電路)和升壓斬波變換電路（即Boost電路）組成雙向DC-DC變換電路，分別各使用一個全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,對輸入直流電源進行斬波控制通過調整全控型器件VT的控制信號占空比來調整輸出電壓。
     方案2：采用XL4016開關型降壓芯片和XL6019開關型升壓/降壓芯片構成升壓、降壓電路具有低紋波，內助功率MOS,具有較高的輸入電壓范圍，內置過電流保護功能與EN引腳邏輯電平關斷功能。

     綜合以上兩種方案，考慮到時間的限制，選擇了比較容易實現的方案2。

2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇
由于瑞薩單片機開發套件數量有限，所以我們選擇了一款相對便宜，速度快，性價比較高的STM32103V8T6作為控制器，顯示部分由于收到題目對作品重量的要求，選擇了質量輕，分辨率較高的0.96寸OLED屏幕顯示。由于市場上所售開關電源模塊的，紋波大的因素，所以輔助電源選擇了一個較小的9V變壓器，進行，整流濾波作為輔助電源。
3、控制方法的論證與選擇
     方案1：采用PWM調節占空比的方法控制降壓芯片的控制端，達到控制恒流和控制恒壓的目的，采用PWM調節軟件較為復雜，而且PWM調節較為緩慢，軟件控制難度大。
     方案2：恒壓部分完全有硬件控制，硬件自身形成一個閉環控制回路，對電壓進行調節使其恒定題目要求的精度范圍。單片機通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由PWM調節占空比，使其恒流。
     綜合以上兩種方案，選擇軟件較為簡單，硬件較為復雜的方案2。

二、系統理論分析與計算
1、充電電路設計分析
   充電電路也就是一個降壓電路，并且要求是一個恒流源，本次競賽選取XL4016為核心降壓芯片，其結構如圖所示。
管腳定義如下典型應用電路如下
2.2 放電電路設計分析

XL6019是一款專為升壓、升降壓設計的單片集成電路，可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內置功率MOS。XL6019內置固定頻率振蕩器與頻率補償電路，簡化了電路設計。PWM控制環路可以調節占空比從0~90%之間線性變化。內置過電流保護功能與EN腳邏輯電平關斷功能。典型應用電路如下

2.1 充電電路設計分析
充電電路也就是一個降壓電路，并且要求是一個恒流源，本次競賽選取XL4016為核心降壓芯片，其結構如圖所示。
XL4016降壓模塊電路圖如下所示
2.2 放電電路設計分析

XL6019是一款專為升壓、升降壓設計的單片集成電路，可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內置功率MOS。XL6019內置固定頻率振蕩器與頻率補償電路，簡化了電路設計。PWM控制環路可以調節占空比從0~90%之間線性變化。內置過電流保護功

能與EN腳邏輯電平關斷功能。典型應用電路如下

三、電路與程序設計1、電路的設計（1）系統總體框圖













（圖3-1）

系統總體框圖如圖3-1所示，主要由輔助電源、測控電路、雙向DC-DC變換電路等組成，輔助電源為測控電路供電，測控電路用于檢測和控制雙向DC-DC電路，以及電壓電流的采集與控制。

  • 降壓電路原理
    降壓電路采用XL4016型8A，180KHz，40V，PWM降壓型直流對直流轉換器，最大效率可達96%。輸出1.25V到36V可調，8A恒定輸出電流能力。
    如下圖3-2所示為XL4016降壓部分電路圖，通過對FB引腳的控制，可有效的實現電流及電壓的控制。該轉換器外圍器件少，低紋波，調節簡單，內置短路保護功能。PWM占空比0%到100%連續可調。
（圖3-2）

（3）升壓電路原理圖
   升壓電路使用XL6019型220KHz、60V、5A開關電流升壓/降壓型DC-DC轉換器。可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內置功率MOS、XL6019內置固定頻率振蕩器與頻率補償電路，簡化了電路設計。PWM控制環路可以調節占空比從0~90%之間線性變化。內置過流保護功能與EN腳邏輯電平關斷功能。使用單片機控制EN引腳實現對升壓模塊開啟與關斷。
（圖3-3）
  • 測控電路電路原理圖
    測控電路如圖3-4所示，通過電阻分壓濾波后，使用單片機ADC采樣，得到輸入、輸出電壓，以及電流和2.5V基準電壓，使用TL431產生2.5V基準電壓用于矯正。恒壓恒流控制使用單片機輸出PWM，經濾波后使用LM358跟隨，增強驅動能力，同時可減小輸入控制端的能量消耗。使用比較器比較設定值與輸出值，再控制芯片的工作狀態。
（圖3-4）電源
   為減小高頻干擾，輔助電源使用220V到9V普通變壓器，經整流濾波后使用7812和HT7333分別輸出12V和3.3V電壓為LM358和單片機小系統板供電。



2、程序的設計（1）程序功能描述與設計思路

1、程序功能描述

根據題目要求，軟件部分實現測量顯示，切換模式，充電過壓保護，控制調節系統。

  • 程序設計思路

     （1）、首先進行，按鍵，OLED各個內設初始化；

     （2）、進行按鍵掃描；

（3）、判斷模式；

（4）、進行PWM控制電流，讓輸出為橫流模式；

     （5）、掃描按鍵；

     （6）進行打開光耦，讓升壓模塊工作；


3程序流程圖

  1、系統總框圖

     Vin/Vout

2、程序流程圖
四、測試儀器與數據分析
4.1 測試儀器
5位半數字萬用表，4位半萬用表

4．2測試數據與分析
（1）U2=30V條件下對電池恒流充電，電流I1在1-2A變化過程中測量值如下表：
按按鍵次數
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I1測量值（A）
1
0.99
1.01
1.06
1.07
1.10
1.12
1.14
1.16
1.17
，
(2)設定I1=2A，使U2在24-36V范圍內變化時，測量記錄I1的值。數據如下：
U2（V）
24
25
26
27
28
29
30
31
32
36
I1（A）
1.99
1.98
1.98
1.99
1.97
1.98
1.99
1.96
2.01
1.99
（3）設定I1=2A，在U2=30V，測量U1，I2，計算效率。數據如下：
當I1=2A，U2=30V時，測得I2=1.47A，U1=20V，由此計算效率為97%。
（4）放電模式下，保持U2=30V，計算效率，數據如下：
當U2=30V時，I2=1.02A，U1=18.9V，I1=0.63A，由此計算效率為98%。
（5）使US在32-38V范圍內變化時U2記錄如下：
Us/V
32
33
33
34
35
36
37
U2/V
29.7
29.8
29.8
29.9
29.8
30.3
30.4









以上數據可以說明，本次設計的雙向DCDC變換器，各項指標均在題設范圍內，是符合要求的。

1




附錄1：電路原理圖

單片機源程序如下:

  1. #include<reg52.h>
  2. #include <intrins.h>
  3. #include <I2c.h>
  4. unsigned char ReadADC(unsigned char Chl); //AD采樣，有返回值
  5. void DAC(unsigned char Data);            //DA輸出
  6. void delay(unsigned char j);            //
  7. unsigned int datpro(void);             //電壓采樣數據處理
  8. void led(int g,int a);                //數碼管顯示
  9. void out_AD_led();                   //輸出采樣電壓1
  10. void DA_out();                      //DA輸出控制
  11. sbit key_1 = P3^4;
  12. sbit key_2= P3^5;
  13. sbit duan=P2^6;
  14. sbit wei=P2^7;
  15. sbit in0 = P3^2;

  17. unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d ,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
  18. unsigned char num=102;  //DA數模輸出變量初始值
  19. int main()
  20. {
  21.               while(1)
  22.                             {            
  23.                                          
  24.                                           DA_out();
  25.                                           DAC(num);
  26.                                           out_AD_led();
  27.                             }
  28. }
  29. void out_AD_led()                          //
  30. {
  31.               led(1,datpro()/1000);
  32.               led(2,datpro()%1000/100);
  33.               led(3,datpro()%100/10);
  34. }
  35. unsigned char ReadADC(unsigned char Ch)  // 讀取AD模數轉換的值，有返回值
  36. {
  37.                             unsigned char Data;
  38.                             Start();        //寫入芯片地址
  39.                             Send(AddWr);
  40.                             Ack();
  41.                             Send(0x40|Ch);//寫入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自行添加
  42.                                               //Ch的值分別為0、1、2、3，分別代表1-4通道
  43.                             Ack();
  44.                             Start();
  45.                             Send(AddRd);    //讀入地址
  46.                             Ack();
  47.                             Data=Read();    //讀數據
  48.                             Scl=0;
  49.                             NoAck();
  50.                             Stop();
  51.                             return Data;   //返回值
  52. }
  53. unsigned int datpro(void)                //

  55. {
  56.               unsigned int dianyah,dianyal;
  57.               unsigned int dianya=0;
  58.               unsigned char x;
  59.               for(x=0;x<6;x++)
  60.               {   
  61.                             dianya=ReadADC(1)+dianya;//輸入通道選擇通道
  62.               }
  63.               dianya=dianya/6;
  64.               dianyah=dianya&0xf0;
  65.               dianyah=dianyah>>4;
  66.               dianyal=dianya&0x0f;
  67.               dianya=dianyal*20+dianyah*310;
  68.               return(dianya);
  69. }

  71. void DA_out()                          //
  72. {
  73.               if(key_1 == 0)
  74.                             {  
  75.                                           delay(10);
  76.                                           while(key_1 == 0);
  77.                                           num=num - 1;
  78.                             }                                                            
  79.               if(key_2==0)
  80.                             {  
  81.                                           delay(10);
  82.                                           while(key_2==0);
  83.                                           num=num + 1;
  84.                             }
  85. }
  86. void DAC(unsigned char Data)          //
  87. {
  88.               Start();
  89.               Send(AddWr); //寫入芯片地址
  90.               Ack();
  91.               Send(0x40);  //寫入控制位，使能DAC輸出
  92.               Ack();
  93.               Send(Data);  //寫數據
  94.               Ack();
  95.               Stop();
  96. }
  97. void led(int g,int a)              //
  98. {
  99.               if(g==1)
  100.               {
  101.                             P0 = 0Xfe ;
  102.                             wei = 1;
  103.                             wei = 0;
  104.                             P0 = table[a];
  105.                             duan = 1;
  106.                             delay(2);
  107.                             duan = 0;
  108.               }
  109.                             if(g==2)
  110.               {
  111.                             P0 = 0Xfd ;
  112.                             wei = 1;
  113.                             wei = 0;
  114.                             P0 = table[a]|0x80;
  115.                             duan = 1;
  116.                             delay(2);
  117.                             duan = 0;
  118.               }
  119.                             if(g==3)
  120.               {
  121.                             P0 = 0Xfb ;
  122.                             wei = 1;
  123.                             wei = 0;
  124.                             P0 = table[a];
  125.                             duan = 1;
  126.                             delay(2);
  127.                             duan = 0;

  129.               }
  130.                             P0 = 0Xf7 ;
  131.                             wei = 1;
  132.                             wei = 0;
  133.                             P0 = 0x3e;
  134.                             duan = 1;
  135.                             duan = 0;
  136. }
  137. void delay(unsigned char j)       //
  138. {
  139.               unsigned int i;
  140.               for(;j>0;j--)
  141.               for(i=0;i<125;i++);
  142. }


  145. #include <intrins.h>
  146. #define AddWr 0x90    //寫數據地址
  147. #define AddRd 0x91   //讀數據地址


  150. sbit RST=P2^4;      //關掉時鐘芯片輸出
  151. sbit Sda=P2^0;     //定義總線連接端口
  152. sbit Scl=P2^1;    //時鐘信號


  155. void Start(void)  //啟動IIC總線
  156.   {
  157.    Sda=1;
  158.    _nop_();
  159.    Scl=1;
  160.    _nop_();
  161.    Sda=0;
  162.    _nop_();
  163.    Scl=0;
  164.   }

  166. void Stop(void) //停止IIC總線
  167.   {
  168.    Sda=0;
  169.    _nop_();
  170.    Scl=1;
  171.    _nop_();
  172.    Sda=1;
  173.    _nop_();
  174.    Scl=0;
  175.    }

  177.    void Ack(void)//應答IIC總線
  178.    {
  179.     Sda=0;
  180.               _nop_();
  181.               Scl=1;
  182.               _nop_();
  183.               Scl=0;
  184.               _nop_();
  185.               }

  187. void NoAck(void)  // 非應答IIC總線
  188.               {
  189.               Sda=1;
  190.               _nop_();
  191.               Scl=1;
  192.               _nop_();
  193.               Scl=0;
  194.               _nop_();
  195.               }

  197. void Send(unsigned char Data) //發送一個字節
  198.               {
  199.                 unsigned char BitCounter=8;
  200.                 unsigned char temp;
  201.                 do
  202.                   {
  203.                             temp=Data;
  204.                             Scl=0;
  205.                             _nop_();
  206.                             if((temp&0x80)==0x80)
  207.                                 Sda=1;
  208.                             else
  209.                                 Sda=0;

  211.                                           Scl=1;
  212.                                           temp=Data<<1;
  213.                                           Data=temp;
  214.                                           BitCounter--;
  215.                               }
  216.                 while(BitCounter);
  217.                     Scl=0;
  218.                 }
  219.             
  220. unsigned char Read(void) // 讀入一個字節并返回
  221.               {
  222.                  unsigned char temp=0;
  223.                  unsigned char temp1=0;
  224.                  unsigned char BitCounter=8;

  226.                  Sda=1;
  227.                  do
  228.                    {
  229.                               Scl=0;
  230.           _nop_();
  231.                               Scl=1;
  232.                               _nop_();
  233.                               if(Sda)
  234.                                  temp=temp|0x01;
  235.                               else
  236.                                  temp=temp&0xfe;

  238.                               if(BitCounter-1)
  239.                                  {
  240.                                             temp1=temp<<1;
  241.                                             temp=temp1;
  242.                                             }
  243.                                             BitCounter--;
  244.                                           }
  245.                             while(BitCounter);
  246.                             return(temp);
  247.               }
復制代碼

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ID:473159 發表于 2019-4-19 02:14 | 顯示全部樓層
芯龍芯片有過流嗎?好像比較貴啊,支持國產
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ID:439144 發表于 2019-5-13 12:52 | 顯示全部樓層
電路原理圖看不清
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ID:312535 發表于 2019-7-22 14:37 | 顯示全部樓層
這個圖片好模糊啊
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ID:472364 發表于 2019-10-14 17:57 | 顯示全部樓層

電路原理圖看不清
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ID:592475 發表于 2020-1-25 10:41 | 顯示全部樓層
#在這里快速回復# 電路原理圖看不清
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ID:325624 發表于 2020-1-27 17:09 | 顯示全部樓層
這個用來參考制作可調電源非常不錯，贊一個?
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ID:689942 發表于 2020-2-4 15:29 來自手機 | 顯示全部樓層
protues上找不到XL6019啊，請問怎么辦
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ID:97678 發表于 2023-5-26 14:21 | 顯示全部樓層
請教一下： XL4003 芯片可以設計 輸出 正負電源？
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ID:56054 發表于 2023-11-30 16:58 | 顯示全部樓層
沒有實際意義的資料，單片機PWM部份和LM358部份電路都沒有
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