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2015年全国大学生电子设计竞赛 2015年月日   目 录 1系统方案比较与论证 1 1.1双向DC-DC变换器主电路的方案选择 1 1.2控制系统的论证与选择 1 1.3辅助电源模块论证与选择 1 1.4提高效率的方法及实现方案 2 2.系统硬件电路设计 2 2.1系统整体框架图 2 2.2 系统主电路设计 2 2.3 系统控制电路设计 3 2.4 辅助电源电路 4 3.系统软件设计 4 3.1 软件设计框架 4 3.2系统程序流程图 4 4.系统测试及结果分析 5 4.1测试使用的仪器 5 4.2测试数据分析与设计指标的比较 8 附录1 系统整体电路原理图 9 附录2主要程序代码 10 附录3 PCB及实物图...................................................................................................11 1系统方案比较与论证 1.1双向DC-DC变换器主电路的方案选择 方案一：隔离型双向?DC/DC?变换器有：反激式双向DC/DC?变换器，正激式双向DC/DC?变换器，双向半桥DC/DC?变换器，双向推挽DC/DC?变换器，双向全桥DC/DC?变换器等。以上的变换器拓扑均用到变压器进行隔离，因而在实际的电路运行过程中将有部分能量消耗在隔离变压器等磁性元器件中，大大降低了电路的整体效率。 方案二：非隔离型双向?DC/DC?变换器有：?Buck-Boost、?Buck/Boost、Cuk等，这类变换器能实现电流的双向流动，不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器工作在第?I?和第?II?象限。此类变换器中没有用到变压器进行隔离，降低了电路损耗，大大提高了能量转换效率，而且电路拓扑也相对较简单。 综合比较本系统采用方案二中的半桥型DC/DC?变换器。 1.2控制系统的论证与选择 方案一：利用51单片机作为主控芯片，实现电压电流检测以及按键设定，并且通过软件算法产生PWM信号来驱动开关管的通断，从而控制输出电压电流的变化。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出互补的PWM驱动信号，而且运行速度以及测量精度均比较低。 方案二：以Microchip公司推出的DSPIC30F2020芯片为核心,该单片机具有较强的数据计算能力和数据吞吐能力。由于它具有的DSP运算功能，同时具有单片机的体积小和价格低廉的特点，且该单片机系统内置晶振，外围电路少，运行起来快速稳定，给本系统设计带来了很大的方便。 综合比较本系统采用方案二中的DSPIC30F2020。 1.3辅助电源模块论证与选择 方案一：采用三端稳压集成的7815、7812、7805、lm1117分别得到15V、12V、5V和3.3V的稳定电压。利用该方法方便简单,但带负载能力较弱，且稳压管容易发热，增加了电路的整体功耗。 方案二：运用LM2596S-ADJ，LM2596S-5V,AMS1117和集成隔离电压转换器1A0512S-1W分别得到15V,5V,3,3V和12V的稳定电压，带载能力较强。 在这里我们选择方案二。 1.4提高效率的方法及实现方案 ⑴ 主电路中开关管的选取：电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。 ⑵ 选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为50kHz。 ⑶ 控制电路及保护电路的措施：控制电路采取超低功耗单片机DSPIC30F2020，其具有运算速度快、外围电路简单的特点；显示采取小体积OLED；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，具体实现见附录图2，单片机由低功耗稳压芯片LM1117单独供电。 2.系统硬件电路设计 2.1系统整体框架图 系统整体包括电池组，辅助电源，测控电路，双向DC-DC变换电路和直流稳压模块等几个主要组成部分，系统整体框架图如图2-1所示。 图2-1 系统整体结构图 2.2 系统主电路设计 主电路包括Buck降压电路和Boost升压基本电路，如图2-2所示 图2-2 双向DC-DC变换电路 该电路运用两个隔离光耦分别驱动一个桥背上的上下两个功率开关管，当电路工作在充电模式下，单片机对上面的开关管进行通断控制，使得电路工作于BUCK降压状态，外接直流稳压电源对电池组充电。当电路工作在