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双向DC-DC变换器设计 XL4016+XL6019+单片机实现

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ID:515632 发表于 2019-4-18 17:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
   本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。
在本次设计中恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。

一、系统方案
1、双向DC-DC变换电路的论证与选择
    2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择
3、 控制方法的论证与选择
二、系统理论分析与计算
三、电路与程序设计
1、电路的设计
（1）系统总体框图
2、程序的设计
（1）程序功能描述与设计思路
（2）程序流程图
    3、程序流程图
四、测试仪器与数据分析
附录1：电路原理图
附录2：源程序

一、系统方案

本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。

    1、双向DC-DC变换电路的论证与选择方案1:由降压斩波变换电路(即Buck变换电路)和升压斩波变换电路（即Boost电路）组成双向DC-DC变换电路，分别各使用一个全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,对输入直流电源进行斩波控制通过调整全控型器件VT的控制信号占空比来调整输出电压。
     方案2：采用XL4016开关型降压芯片和XL6019开关型升压/降压芯片构成升压、降压电路具有低纹波，内助功率MOS,具有较高的输入电压范围，内置过电流保护功能与EN引脚逻辑电平关断功能。

     综合以上两种方案，考虑到时间的限制，选择了比较容易实现的方案2。

2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择
由于瑞萨单片机开发套件数量有限，所以我们选择了一款相对便宜，速度快，性价比较高的STM32103V8T6作为控制器，显示部分由于收到题目对作品重量的要求，选择了质量轻，分辨率较高的0.96寸OLED屏幕显示。由于市场上所售开关电源模块的，纹波大的因素，所以辅助电源选择了一个较小的9V变压器，进行，整流滤波作为辅助电源。
3、控制方法的论证与选择
     方案1：采用PWM调节占空比的方法控制降压芯片的控制端，达到控制恒流和控制恒压的目的，采用PWM调节软件较为复杂，而且PWM调节较为缓慢，软件控制难度大。
     方案2：恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。
     综合以上两种方案，选择软件较为简单，硬件较为复杂的方案2。

二、系统理论分析与计算
1、充电电路设计分析
   充电电路也就是一个降压电路，并且要求是一个恒流源，本次竞赛选取XL4016为核心降压芯片，其结构如图所示。
管脚定义如下典型应用电路如下
2.2 放电电路设计分析

XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路，可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS。XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。内置过电流保护功能与EN脚逻辑电平关断功能。典型应用电路如下

2.1 充电电路设计分析
充电电路也就是一个降压电路，并且要求是一个恒流源，本次竞赛选取XL4016为核心降压芯片，其结构如图所示。
XL4016降压模块电路图如下所示
2.2 放电电路设计分析

XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路，可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS。XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。内置过电流保护功

能与EN脚逻辑电平关断功能。典型应用电路如下

三、电路与程序设计1、电路的设计（1）系统总体框图













（图3-1）

系统总体框图如图3-1所示，主要由辅助电源、测控电路、双向DC-DC变换电路等组成，辅助电源为测控电路供电，测控电路用于检测和控制双向DC-DC电路，以及电压电流的采集与控制。

  • 降压电路原理
    降压电路采用XL4016型8A，180KHz，40V，PWM降压型直流对直流转换器，最大效率可达96%。输出1.25V到36V可调，8A恒定输出电流能力。
    如下图3-2所示为XL4016降压部分电路图，通过对FB引脚的控制，可有效的实现电流及电压的控制。该转换器外围器件少，低纹波，调节简单，内置短路保护功能。PWM占空比0%到100%连续可调。
（图3-2）

（3）升压电路原理图
   升压电路使用XL6019型220KHz、60V、5A开关电流升压/降压型DC-DC转换器。可工作在DC5V到40V输入电压范围，低纹波，内置功率MOS、XL6019内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。PWM控制环路可以调节占空比从0~90%之间线性变化。内置过流保护功能与EN脚逻辑电平关断功能。使用单片机控制EN引脚实现对升压模块开启与关断。
（图3-3）
  • 测控电路电路原理图
    测控电路如图3-4所示，通过电阻分压滤波后，使用单片机ADC采样，得到输入、输出电压，以及电流和2.5V基准电压，使用TL431产生2.5V基准电压用于矫正。恒压恒流控制使用单片机输出PWM，经滤波后使用LM358跟随，增强驱动能力，同时可减小输入控制端的能量消耗。使用比较器比较设定值与输出值，再控制芯片的工作状态。
（图3-4）电源
   为减小高频干扰，辅助电源使用220V到9V普通变压器，经整流滤波后使用7812和HT7333分别输出12V和3.3V电压为LM358和单片机小系统板供电。



2、程序的设计（1）程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

根据题目要求，软件部分实现测量显示，切换模式，充电过压保护，控制调节系统。

  • 程序设计思路

     （1）、首先进行，按键，OLED各个内设初始化；

     （2）、进行按键扫描；

（3）、判断模式；

（4）、进行PWM控制电流，让输出为横流模式；

     （5）、扫描按键；

     （6）进行打开光耦，让升压模块工作；


3程序流程图

  1、系统总框图

     Vin/Vout

2、程序流程图
四、测试仪器与数据分析
4.1 测试仪器
5位半数字万用表，4位半万用表

4．2测试数据与分析
（1）U2=30V条件下对电池恒流充电，电流I1在1-2A变化过程中测量值如下表：
按按键次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I1测量值（A）
1
0.99
1.01
1.06
1.07
1.10
1.12
1.14
1.16
1.17
，
(2)设定I1=2A，使U2在24-36V范围内变化时，测量记录I1的值。数据如下：
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）设定I1=2A，在U2=30V，测量U1，I2，计算效率。数据如下：
当I1=2A，U2=30V时，测得I2=1.47A，U1=20V，由此计算效率为97%。
（4）放电模式下，保持U2=30V，计算效率，数据如下：
当U2=30V时，I2=1.02A，U1=18.9V，I1=0.63A，由此计算效率为98%。
（5）使US在32-38V范围内变化时U2记录如下：
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









以上数据可以说明，本次设计的双向DCDC变换器，各项指标均在题设范围内，是符合要求的。

1




附录1：电路原理图

单片机源程序如下:

  1. #include<reg52.h>
  2. #include <intrins.h>
  3. #include <I2c.h>
  4. unsigned char ReadADC(unsigned char Chl); //AD采样，有返回值
  5. void DAC(unsigned char Data);            //DA输出
  6. void delay(unsigned char j);            //
  7. unsigned int datpro(void);             //电压采样数据处理
  8. void led(int g,int a);                //数码管显示
  9. void out_AD_led();                   //输出采样电压1
  10. void DA_out();                      //DA输出控制
  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数模输出变量初始值
  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)  // 读取AD模数转换的值，有返回值
  36. {
  37.                             unsigned char Data;
  38.                             Start();        //写入芯片地址
  39.                             Send(AddWr);
  40.                             Ack();
  41.                             Send(0x40|Ch);//写入选择的通道，本程序只用单端输入，差分部分需要自行添加
  42.                                               //Ch的值分别为0、1、2、3，分别代表1-4通道
  43.                             Ack();
  44.                             Start();
  45.                             Send(AddRd);    //读入地址
  46.                             Ack();
  47.                             Data=Read();    //读数据
  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;//输入通道选择通道
  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); //写入芯片地址
  90.               Ack();
  91.               Send(0x40);  //写入控制位，使能DAC输出
  92.               Ack();
  93.               Send(Data);  //写数据
  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    //写数据地址
  147. #define AddRd 0x91   //读数据地址


  150. sbit RST=P2^4;      //关掉时钟芯片输出
  151. sbit Sda=P2^0;     //定义总线连接端口
  152. sbit Scl=P2^1;    //时钟信号


  155. void Start(void)  //启动IIC总线
  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总线
  167.   {
  168.    Sda=0;
  169.    _nop_();
  170.    Scl=1;
  171.    _nop_();
  172.    Sda=1;
  173.    _nop_();
  174.    Scl=0;
  175.    }

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

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

  197. void Send(unsigned char Data) //发送一个字节
  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) // 读入一个字节并返回
  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.               }
复制代码

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ID:473159 发表于 2019-4-19 02:14 | 显示全部楼层
芯龙芯片有过流吗?好像比较贵啊,支持国产
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ID:439144 发表于 2019-5-13 12:52 | 显示全部楼层
电路原理图看不清
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ID:312535 发表于 2019-7-22 14:37 | 显示全部楼层
这个图片好模糊啊
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ID:472364 发表于 2019-10-14 17:57 | 显示全部楼层

电路原理图看不清
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ID:592475 发表于 2020-1-25 10:41 | 显示全部楼层
#在这里快速回复# 电路原理图看不清
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ID:325624 发表于 2020-1-27 17:09 | 显示全部楼层
这个用来参考制作可调电源非常不错，赞一个?
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ID:689942 发表于 2020-2-4 15:29 来自手机 | 显示全部楼层
protues上找不到XL6019啊，请问怎么办
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ID:97678 发表于 2023-5-26 14:21 | 显示全部楼层
请教一下： XL4003 芯片可以设计 输出 正负电源？
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ID:56054 发表于 2023-11-30 16:58 | 显示全部楼层
没有实际意义的资料，单片机PWM部份和LM358部份电路都没有
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