的技術(shù)，主要是對(duì)電壓、電流實(shí)現(xiàn)變換。它廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、 可再生新型能源、家用電器、計(jì)算機(jī)與通訊、工控等領(lǐng)域。

47KHZ 的 PWM 信號(hào)，通過半橋驅(qū)動(dòng)器 IR2104 控制同步整流的升降壓電路。 單片機(jī)能實(shí)時(shí)檢測(cè)電流電壓數(shù)值，并通過其自帶的 10 位ADC 反饋到片子內(nèi)部 進(jìn)行處理。當(dāng)放電按鈕被按下時(shí)，同步整流電路為降壓電路,能輸出 1.0 到

2A，0.05A 可調(diào)的步進(jìn)電流，形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)充電按鈕被按下 時(shí)，同步整流電路為升壓電路,能輸出 30V 電壓，形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。輸 出電壓電流，輸出電流的設(shè)定值都在 12864 液晶通過設(shè)置顯示。根據(jù)測(cè)試，同 步降壓效率為 94%。具有充電過壓保護(hù)功能。

我們生活中使用的 DC/DC 變換器都只能從單一方向進(jìn)行工作，其最根本原因是 功率較大的開關(guān)管（像 MOSFT，IGBT）只能處理單一方向上流過的能量，而且主電 路上裝有二極管，因?yàn)槠浔旧淼奶匦裕瑢?dǎo)致能量只能朝一個(gè)方向流通。現(xiàn)在，科技 和社會(huì)的發(fā)展相當(dāng)迅速，人們對(duì)電源系統(tǒng)提出了更高的要求，以適應(yīng)其在不同工業(yè)、 科研環(huán)境下需求。在航空航天系統(tǒng)，I 類負(fù)荷不斷電系統(tǒng)中,直流電源變換器有著不可 或缺的作用。在要求能充放電的系統(tǒng)，比如電動(dòng)汽車、不允許斷電的系統(tǒng)、光伏發(fā) 電、航空電力等場(chǎng)合中，要求能量可以雙向自由流通，而為此做兩個(gè)電能變換器顯 然過于笨重，而且增加了成本。雙向 DC/DC 變換器(Bi-direCtional DC/DCConverter， BDC)就在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生了，通過適當(dāng)?shù)目刂疲�它可以讓能量�(jī)蓚�(gè)方向自由 地流動(dòng)，對(duì)比做兩個(gè)電能變換器，兼顧了變換器的體積、重量，還有成本，提高了 效率。雙向的 DC/DC 變換器完成了兩個(gè)設(shè)備的工作，而普通的 DC/DC 變換只能完成 能量的單向流動(dòng)。變換器之所以雙向流動(dòng)能量是因?yàn)樗�在原來開關(guān)管的基礎(chǔ)上并聯(lián) 了一個(gè)快恢復(fù)的二極管，讓其導(dǎo)通電流本來只能在一個(gè)象限工作變成了兩個(gè)。這樣 的處理方法好處是不用改變輸入和輸出電壓的極性卻能控制電流的流

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雙向的 DC/DC 變換器是以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)物，在現(xiàn)今國(guó)家大力扶持的 航天技術(shù)，光伏發(fā)電技術(shù)，電力汽車的背景下，它必將蓬勃發(fā)展，相信會(huì)更多的研 究結(jié)果出現(xiàn)在人們的視野中，應(yīng)用前景也會(huì)更加廣泛。

雙向的 DC/DC 變換器是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)需求而被提出的一種模型，所以它在某些特定 的領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

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從上圖中可以看到，雙向的直流變換器、電機(jī)還有電池共同組成了這個(gè)系統(tǒng)。 當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)：變換器輸出的電流與電機(jī)的轉(zhuǎn)速存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，調(diào)節(jié)變換器 輸出的電流大小就能達(dá)到控制汽車的行進(jìn)速度的目的。當(dāng)汽車剎車時(shí)，變換器將儲(chǔ) 存在電機(jī)中的機(jī)械能變成電能，向電池充電；同時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的大小。

電力系統(tǒng)中的負(fù)荷有規(guī)定，I 類負(fù)荷是嚴(yán)禁斷電的。因?yàn)?I 類負(fù)荷往往是工廠， 大型煉鋼廠，醫(yī)院，或者具有重大意義的單位。如果供電突然中斷并且沒有備 用電源及時(shí)投入，可能會(huì)對(duì)人身造成傷害，或者產(chǎn)生很嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。 比如醫(yī)院的手術(shù)室，若突然失去供電，會(huì)影響到手術(shù)的進(jìn)行，無法保障病人生命安 全；再如大型鋼鐵企業(yè)中，正在運(yùn)作的煉鋼爐，如果停止對(duì)其供電，爐中的鐵水會(huì) 迅速降溫凝結(jié)，產(chǎn)生廢鋼，而且損壞設(shè)備。所以不能中斷對(duì)其的供電，使用雙向的 電能變換器是一種有效避免斷電的方法。其示意圖如圖 1.3 所示。

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圖 1.3 雙向的 DC/DC 構(gòu)成的不斷電系統(tǒng)

在正常情況下，220V 交流電直接供給負(fù)載并且通過變換器給電池充電。供電中 斷時(shí)，將儲(chǔ)存在蓄電池中的電能變換器升壓再逆變，保證負(fù)載能正常工作。

長(zhǎng)期沿著地球軌道飛行的飛行器需要解決供能問題，收集太陽能作為動(dòng)力是個(gè) 可行的辦法。航天器靠太陽能板收集能量，當(dāng)飛行器運(yùn)行到向陽面時(shí)，太陽能板工 作，此時(shí)飛行器的能量來源就靠它，另一方面，多余的電能通過變換器降壓，將能 量保存在蓄電池中。當(dāng)飛行器運(yùn)行到背陽面時(shí)，太陽能板就無法產(chǎn)生作用了，需要 之前儲(chǔ)存在蓄電池里的電能通過變換器升壓，給負(fù)載供電。這種可以雙向能量流動(dòng) 的變換器有效簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了體積和重量，這在航天方面至關(guān)重要。

雙向的直流電能變換器有著單向變換器所不具備的優(yōu)點(diǎn)：電流能雙象限流動(dòng)， 只要稍加控制功率管的開關(guān)順序，輸入電流和輸出電流的方向就可以改變，它完成 了兩個(gè)單向電能變換器的工作。若實(shí)際應(yīng)用中需要能量來回傳遞，又對(duì)體積、成本 有所要求，那么雙向的直流變換器就有用武之地。圖 1.1 只是簡(jiǎn)單地介紹了幾個(gè)非隔 離的雙向的直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它還有許多帶隔離的拓?fù)洌�每一種拓?fù)涠加懈髯?的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在使用時(shí)，要具體情況具體分析，根據(jù)實(shí)際的要求，來選擇合適的 拓?fù)洹１敬卧O(shè)計(jì)是針對(duì) 18650 電池充放電的變換器，采用了不帶隔離的 Buck-Boost。 主要考慮到以下 2 點(diǎn)：（1）對(duì)比隔離型的變換器，它具有效率高的特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì) 要求；（2）主電路的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，方便調(diào)試，也節(jié)省的成本。

本次設(shè)計(jì)的目的在于用平時(shí)課堂所學(xué)內(nèi)容以及相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)完成雙向 DC-DC 電源的制作，了解開關(guān)電源的發(fā)展技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì)，做到以下四個(gè)方面：①小 型化、輕量化、高頻化；②高可靠性；③低噪聲；④采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制。 并鞏固電力電子和模擬電子技術(shù)中有關(guān)開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識(shí)，能夠?qū)W以致用，同時(shí) 擁有分析和解決問題的能力，以及一定的基于模擬電子技術(shù)的研究設(shè)計(jì)能力。為了 能獨(dú)立完成相關(guān)設(shè)計(jì)做好鋪墊。

本設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)硬件和軟件編程相結(jié)合的方法，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)從系統(tǒng)總體的設(shè) 計(jì)方案和結(jié)構(gòu)框圖入手，確定主功率電路的整流方式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再根據(jù)實(shí)際電壓 要求計(jì)算占空比，進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)和主要器件的選擇。在控制電路中要根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器的控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，需要較強(qiáng)的動(dòng)手能力與編程能力，制作完成 后需要進(jìn)行測(cè)試，掌握科學(xué)的測(cè)試方法可以提高效率，同時(shí)分析出現(xiàn)問題的原因， 可以避免重蹈覆轍。最終設(shè)計(jì)出來的成品具有重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn) 定等優(yōu)點(diǎn)。

此次設(shè)計(jì)涉及到的主要內(nèi)容有 DC-DC 變換器方案的設(shè)計(jì)與比較，元器件參數(shù)值 的計(jì)算與選擇，程序的設(shè)計(jì)與編寫，充放電模式下的仿真以及硬件實(shí)物的測(cè)試。

通過上述敘述，我們對(duì)雙向的直流變換器的背景，意義還有其發(fā)展前景有了初 步認(rèn)識(shí)，并且明確了此次設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法。

本文設(shè)計(jì)用于電池儲(chǔ)能裝置的雙向 DC-DC 變換器， 實(shí)現(xiàn)電池的充放電功能， 功 能可由按鍵設(shè)定，亦可自動(dòng)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1 所示，圖中除直流穩(wěn)壓電源外， 其他器件均需自備。電池組由 5 節(jié) 18650 型、容量 2000~3000mAh 的鋰離子電池 串聯(lián)組成。所用電阻阻值誤差的絕對(duì)值不大于 5%。

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（1）U2=30V 條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池恒流充電。充電電流 I1 在 1~2A 范圍內(nèi)步 進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值不大于 0.1A，電流控制精度不低于 5%。

（2）設(shè)定 I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使 U2 在 24~36V 范圍內(nèi)變化 時(shí)，要求充電電流 I1 的變化率不大于 1%。

（5）具有過充保護(hù)功能：設(shè)定 I1=2A，當(dāng) U1 超過 U1th=24±0.5V 時(shí)，停止充 電。

（7）在滿足要求的前提下簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕重量，使雙向 DC-DC 變換器、測(cè)控 電路與輔助電源三部分的總重量不大于 500g。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的目的是為了進(jìn)行能量的雙向傳遞，而且對(duì)效率提出了較高的要 求，所以采用了開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是比較合適的。開關(guān)元件上選用符合耐壓值的 MOS管即可，因?yàn)樵谳^高頻率下，大電流的工況下MOS管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗仍

然能維持在一個(gè)較低的水平。控制方面，以單片機(jī)為核心，通過中斷程序分時(shí)段采 集并處理從主電路中采集得來的電流電壓信息，依據(jù)采集得到的信息作出相應(yīng)的反 饋，使整個(gè)電路運(yùn)行更加的穩(wěn)定和智能。除了主電路外，還需要（1）放大電路，經(jīng) 估算，采集電壓的值分布范圍不能覆蓋單片機(jī)測(cè)量電壓的大部分區(qū)域，所以需要對(duì) 采集電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅唬?）輔助電源模塊，單片機(jī)需要5V的電壓供電才能工 作；放大電路也需要負(fù)電壓才能正常工作；（3）按鍵電路，主要針對(duì)設(shè)計(jì)要求中需 要對(duì)電路的工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且要求可以調(diào)整輸出電流，這些功能需要通過按 鍵以及配套的程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；（4）顯示模塊，用于顯示設(shè)計(jì)中各項(xiàng)關(guān)鍵的參數(shù)，提示電路的工作狀態(tài)。

關(guān)于電池，最優(yōu)的且最方便的選擇是鋰電池。通過查閱資料，了解到鋰離子是 一種可以反復(fù)充電使用的電池。對(duì)比其它電池，它有如下的優(yōu)勢(shì)：（1）它的體積很 小，一般常用的 18650 為長(zhǎng)度 6.5 厘米直徑 1.8 厘米的圓柱。而且它的重量也很輕

（2）正常工作時(shí)，1 節(jié) 18650 能提供 3.7V 的電壓，通過串聯(lián)電池，可以滿足大部分 工作需求。（3）容量大，對(duì)比其它類型的電池，它具有更高的功率密度。（4）充 電時(shí)間短，放電時(shí)電流也不會(huì)很大，其容量也不會(huì)隨使用次數(shù)的增加而減少。（5） 無污染。有這么多的優(yōu)點(diǎn)，所以它也受到許多廠商的青睞，我們形影不離的手機(jī)就 是采用鋰電池供電的。當(dāng)然，因?yàn)樗�本身的物理特性，也有著不可避免的缺點(diǎn)：容 易損壞。因此，我們要避免對(duì)其過充或者短路。給電池增加一個(gè)保護(hù)板也是不錯(cuò)的 選擇。

這次設(shè)計(jì)中，我們?nèi)匀徊捎盟髂峁�司生產(chǎn)的18650電池。經(jīng)查閱手機(jī)了解到，1 節(jié)電池正常工作時(shí)提供3.7伏的電壓。在充電時(shí)，電壓會(huì)升高，一般4.2V是它的極 限。圖2.2、2.3所示是18650電池的樣子和充放電時(shí)容量與電壓的關(guān)系。

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為是在MOS管上直接反向并聯(lián)了二極管 ，蓄流時(shí)會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，不用考慮反向恢復(fù)問 題。這樣的好處是通斷開關(guān)管造成的損耗很小。

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2.5.1 降壓電路的工作原理

圖 2.7 升壓電路拓?fù)?/font>

顯然，功率管在開通和關(guān)斷下，電路會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)，電流從電源流出，經(jīng)過電感最后到負(fù)載（觀察到此狀態(tài)下二 極管是反接的，阻斷了電流向下的通路）。這個(gè)過程中電感儲(chǔ)能，其電壓值是電源 與負(fù)載的壓差，其值得大小與電感的具體值也有關(guān)。這個(gè)過程中電容承擔(dān)了濾波的 作用，電容值越大，濾波的效果越好，具體的值將在下面的計(jì)算中給出。

當(dāng)開關(guān)管打開時(shí)，負(fù)載失去原來的電能供應(yīng)，從圖中看，虛線部分被斷開。電 感因?yàn)樽陨淼奶匦裕�在其中流過的電流不會(huì)瞬間改變，會(huì)慢慢減少，直至到 0，減少 的速度與電感值有關(guān)，其計(jì)算也在下面給出。電流繼續(xù)流過負(fù)載，此時(shí)原來的通路 已經(jīng)不在，電流通過蓄流二極管，形成新的通路。此時(shí)，圖中還沒帶有負(fù)載，電流 給電容充電。而電容兩端的電壓即是負(fù)載的兩端的電壓。因?yàn)檫x擇的電容值一般較 大，所以負(fù)載電壓也會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)具體的值。

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圖 2.8 開關(guān)管 K 導(dǎo)通狀態(tài)

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2.5.2 Buck 的穩(wěn)壓分析

圖 2.9 開關(guān)管 K 斷開狀態(tài)

圖2.8中，顯示的是開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)下的電路情況，電感L把流過其自身的電能 的一部分轉(zhuǎn)換成磁能，儲(chǔ)存起來。而未儲(chǔ)存在電感中的電流流經(jīng)電容器C，由電容將 能量?jī)?chǔ)存起來。當(dāng)開關(guān)管打開時(shí)，電路圖變成2.9中的情況，因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)沒有電源 連接在電路中，電感就要充當(dāng)繼續(xù)提供電流的作用，像上面介紹到的那樣，電感的 電流不會(huì)瞬時(shí)改變，而是繼續(xù)朝原來的方向流動(dòng)，經(jīng)過負(fù)載再流到二極管，形成新 的回路，這個(gè)過程中電容將放電與電感一起維持電流的大小。

因?yàn)殚_關(guān)管是在很高的工作頻率下工作的，其關(guān)斷的頻率是毫秒甚至是微秒級(jí) 別的。負(fù)載電壓在這個(gè)過程中不斷的抬升，直到一個(gè)時(shí)機(jī)，電容的放電與電感的充 電達(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡。電壓也就維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的值附近。其值得大小與控 制開關(guān)管的PWM波的占空比有關(guān)。因?yàn)轭}目的要求輸出電壓可調(diào)，所以還需要對(duì)輸 出電壓進(jìn)行采集，一般選用的方法是設(shè)置單片機(jī)的一路進(jìn)行信息的采集，并且對(duì)采 集的信息與設(shè)定的值進(jìn)行比較，本身PWM波也是由單片機(jī)發(fā)出的，所以可以直接控 制單片機(jī)改變發(fā)出PWM波的占空比。這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)，讓輸出的電壓維持在 題目要求的值附近。

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圖 2.10  降壓電路穩(wěn)壓原理分析

2.5.3 降壓電路中電感和電容值的選擇

紋波抑制比r在設(shè)計(jì)電能變換器時(shí)是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。經(jīng)查閱書本，將r設(shè)置 在0.4能讓整個(gè)電路擁有最優(yōu)的工作狀況。影響紋波抑制比的主要因素有兩個(gè)（1） 電感的電流平均值即降壓電路中的電流的平均值和（2）紋波的峰峰值△ I。設(shè)計(jì)整 個(gè)變換器的時(shí)候，紋波抑制比應(yīng)當(dāng)被首先確定，因?yàn)樗�影響后面電容電感的參�?shù)。 因?yàn)榉桨钢幸呀?jīng)給定了確定的PWM頻率，我們可以用紋波抑制比來計(jì)算出所需電感的數(shù)值。

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圖 2.11 電流紋波抑制比

計(jì)算電感的過程如下，像上文說的，我們先把紋波抑制比設(shè)置成0.4。根據(jù)題目 要求，高壓側(cè)的電。電池組兩側(cè)的電壓?s1=18.5V，f.D分別表示單 片機(jī)的PWM波的工作頻率、PWM波的占空比、高壓側(cè)電壓、低壓側(cè)電壓、充電電 流。因?yàn)槠胀ǘ�極管在這么高的工作頻率會(huì)出現(xiàn)問題。所以采用肖特基二極管，默 認(rèn)它的導(dǎo)通壓降為0。

求電流峰峰值的公式為：

（詳見附件）

因此得到電感L公式 對(duì)于BUCK電路，

電感需要繞線獲得，無法得到計(jì)算值那么精確的電感，此處取大概 200uH 左右的電 感。

下面開始計(jì)算電容值的大小，在（2-9）給出的式子中，PWM 一個(gè)循環(huán)的時(shí)間

是 T。5 個(gè) 18650 電池串聯(lián)的電壓是 18.5，這里默認(rèn)△ U=0.1,把計(jì)算的的參數(shù)帶入式子得到

電容的值采用1個(gè)4700UF，1個(gè)1000UF的電容并接入輸出端，進(jìn)而濾除了高頻和低頻的紋 波電壓。

2.5.4 Boost 電路的分析

將二極管替換成MOS管，則可以避免續(xù)流二極管因電壓降而導(dǎo)致的功率損耗， 提高能量轉(zhuǎn)換效率。用MOS管代替續(xù)流管的電路方式叫做同步整流，同步整流的電 路可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。實(shí)際上同步整流的BUCK和BOOST具有對(duì)稱性。

充電時(shí)刻，30V給18.5V的電池組充電，需要降壓，整個(gè)電路工作在Buck模式， 放電時(shí)刻，18.5V的電池組作為輸入電壓，輸出30V，需要升壓，整個(gè)電路工作在 Boost模式，根據(jù)對(duì)稱性原則，電感和電容遵循BUCK的計(jì)算結(jié)果即可。

2.5 本章小結(jié)

經(jīng)過上面的討論，本設(shè)計(jì)采用同步整流的升降壓電路模型來作為這個(gè)設(shè)計(jì)的主 電路。并通過詳細(xì)的分析計(jì)算，確定了電感和電容的取值。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體框架

本文設(shè)計(jì)的總體框架如圖 3.1 所示，采用 STC 系列單片機(jī)作為主控芯片。在主 電路外輔以 IR2104 IC 的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路、能夠提供穩(wěn)定 5V 電源的 7805 芯片、方 便控制轉(zhuǎn)換工作方式的按鍵電路、用于采樣的檢測(cè)電路和 12864 液晶顯示電路。下

面依次對(duì)各個(gè)功能部件進(jìn)行討論以便得到滿意的測(cè)試結(jié)果。

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3.2 各部分電路的選擇

3.1 總體框架圖

3.2.1 單片機(jī)

所有能兼容英特爾 8031 指令的微處理器都統(tǒng)稱為 51 單片機(jī)，最初的 8004 經(jīng) 過 Flash Rom 工藝的進(jìn)步，迅速成為使用最廣泛的單片機(jī)之一。它在工業(yè)生產(chǎn)，機(jī) 器控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而且各個(gè)型號(hào)之間的片子可以完全兼容，在 ARM 和 FPGA 還未普及時(shí)，一度占領(lǐng)了微處理器市場(chǎng)的很大一部份額。最普通的 51 單片機(jī) 一般是 8 位的。

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夠勝任此次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。而且其內(nèi)部的 ADC 是 10 位的，這意味著精度也 比 51 要高好幾倍。同時(shí)內(nèi)部自帶的 PWM 也省去了再自己制作 PWM 波發(fā)生電路的 麻煩。

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圖 3.2STC12C5A60S2

IR2104 的典型應(yīng)用電路如圖 3.3 所示。可以知道 IR2104 的 SD 口就像是芯片的

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圖 3.3IR2104 典型應(yīng)用電路

IR2104 的內(nèi)部電路和時(shí)序圖如圖 3.4 所示。

3.2.3 電路供電電源的選擇

圖 3.4 IR2104 的內(nèi)部電路和時(shí)序圖

降壓芯片 7805，是一種能把電壓降至穩(wěn)定 5 伏的芯片。從圖 3.5 可以看到，要

使它工作起來只需要在輸入和輸出端口各并接一個(gè) 0.33u 和 0.1u 的電容即可。這個(gè) IC 價(jià)格十分便宜，功能卻很強(qiáng)大，不僅能輸出 5V,而且內(nèi)部的電路也十分完善，過 流過熱保護(hù)都已經(jīng)集成在內(nèi)，缺點(diǎn)就是存在一定的損耗。因?yàn)槭诸^沒有 7805 模塊芯 片，本設(shè)計(jì)中采用了一塊封裝與 7805 完全相同的金升陽的電源模塊。其應(yīng)用電路圖

與 7805 一致，如圖 3.5 所示。

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3.2.4 電流檢測(cè)電路

圖 3.5 7805 應(yīng)用電路

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方案一：霍爾傳感器。霍爾傳感器有一個(gè)閉合的圓環(huán)，當(dāng)有電流從其中流過時(shí)

就會(huì)感應(yīng)出霍爾電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的大小與電流的大小存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，而霍爾 元件上產(chǎn)生的電壓我們可以通過測(cè)量的方式取得。知道電壓，再通過查表，就可以 找到對(duì)應(yīng)的電流。

方案二：分壓檢測(cè)電路。對(duì)比采用霍爾傳感器，更簡(jiǎn)單的方式是在需要測(cè)量電 流的路徑上串聯(lián)一個(gè)小阻值卻很精密的電阻，比如康銅絲。當(dāng)電流流過這個(gè)電阻 時(shí)，就會(huì)在兩端產(chǎn)生壓降。測(cè)量這個(gè)壓降值得大小，再除以電阻值，就可以很方便 地知道電流的大小。這樣的方式很簡(jiǎn)潔，操作起來比較方便，也不會(huì)給電路增加額 外的重量，有利于更好的完成題目中的各項(xiàng)指標(biāo)。

因?yàn)榇藭r(shí)測(cè)得的電壓值非常小，如 10 毫歐的康銅絲上流過 2A 的電流才產(chǎn)生

0.02V 的電壓。對(duì)于 10 位最高能識(shí)別 5V 的單片機(jī)，不能完全發(fā)揮它的各項(xiàng)性能。我 們需要對(duì) 0.02V 的電壓進(jìn)行放大，使其電壓值能盡量覆蓋單片機(jī)所能測(cè)得的范圍。 這樣單片機(jī)就能測(cè)得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。考慮到要方便單片機(jī)采集電壓信息，我們選 擇讓輸出端的電壓經(jīng)過分壓進(jìn)入放大電路，放大器的輸出端口直接連接 ADC 的端 口。

采用 Lm358,它內(nèi)部含有兩個(gè)放大器。實(shí)際上我們只需要用到一個(gè)。圖 3.6 是它 的引腳圖；3.7 是應(yīng)用電路圖。

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圖 3-6 Lm358 引腳圖及引腳功能

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圖 3.7 電流檢測(cè)電路

因?yàn)轭}目中的要求是電流在 1.0 到 2.0A 之間。輸出最大電流為 2A。我們上面提 到是用分壓的方式進(jìn)行檢測(cè)，提供給單片機(jī)的電源是 7805 產(chǎn)生的 5V 電壓。所以單 片機(jī)能檢測(cè)到最高的電壓也是 5V。而 LM358 同樣需要 5V 的電壓供電，而它與最大 輸出的電壓之間有 1.2V 的壓差。由此我們得到：

?????? = 5? ? 1.2? = 3.8?              (3-1)

2A 電流經(jīng)過 0.02Ω 電阻得到的電壓：

??? = 2?? ? 0.02Ω = 0.040V              (3-2)

上面我們也提到過了，直接測(cè)得的電壓太小了，到時(shí)候會(huì)不準(zhǔn)，所以這個(gè)電壓設(shè)

計(jì)一個(gè)放大電路，電路的放大倍數(shù)不應(yīng)超過β：

此處根據(jù)手頭有的電阻材料，而且選擇時(shí)還要滿足對(duì)放大器內(nèi)部來說要少幾個(gè) 數(shù)量級(jí)的電阻，因?yàn)橐獫M足它對(duì)外虛斷的特性。我們選擇千歐級(jí)別，就選 48K 和 1K

吧。

因?yàn)?? > ?o , 滿足剛才計(jì)算的結(jié)果。 所以當(dāng)電流為最大值時(shí)，運(yùn)放輸出電壓為：

?out = 0.040 ? 49 = 1.96?              (3-5)

3.2.5 電壓檢測(cè)電路

剛才已經(jīng)提到過了，單片機(jī)只能檢測(cè) 5V 的電壓，而我們發(fā)現(xiàn)輸入的電壓是

30V，所以我們要對(duì)輸入端的電壓進(jìn)行分壓，它的關(guān)系應(yīng)該如 3-6 所示

為避免能量的損耗，我們?nèi)匀蝗∏�歐級(jí)別，100K 和 10K 是比較恰當(dāng)?shù)?/font>

我們可以簡(jiǎn)單的算下，10V 的分壓時(shí)，單片機(jī)上采集到

電壓分壓檢測(cè)電路如圖 3.8 所示。

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3.2.6 按鍵電路

圖 3.8 電壓檢測(cè)電路

因?yàn)橹挥玫剿膫�(gè)按鍵，所以在這個(gè)設(shè)計(jì)中，為了省去不必要的麻煩，我們就不 采用編碼鍵盤了。四個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)它自己的功能，并且與單片機(jī)的 P2 口中的前四個(gè)接 口分別相對(duì)應(yīng)。只用標(biāo)注對(duì)應(yīng)的意義就很直觀，非常的簡(jiǎn)潔，在板子上焊接 4 個(gè)按 鍵也是非常容易的事情,下面是各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的意思

K1 為開啟/關(guān)閉放電功能，在發(fā)揮功能時(shí)候使用

K2 為電池充電/不充電，在基本功能時(shí)候使用

K3 為輸出電流增加，單擊一次步進(jìn) 0.05A，最大加到 2A。

K4 為輸出電壓減少，單擊一次步進(jìn) 0.05A，最少減到 1A（題目要求 1A，此為 拓寬調(diào)節(jié)范圍，屬于發(fā)揮部分“其他”內(nèi)容）。

如圖 3.9 所示。

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3.2.7 液晶顯示模塊

圖 3.9 按鍵電路

本設(shè)計(jì)采用了 12864 液晶。考慮到要顯示的信息較多，平時(shí)使用的 1602 液晶可

能不能勝任這樣的工作。翻看 12864 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn) 12864 的液晶的驅(qū)動(dòng)電壓很 小，幾乎與 1602 無異，不用再額外添加驅(qū)動(dòng)電路，而且通過它的名字就能猜到它是 由 128*64 的點(diǎn)陣構(gòu)成，這意味能顯示更多的信息。在本次設(shè)計(jì)中，我們需要設(shè)計(jì)顯 示四條信息，分別是設(shè)定的電流，輸入輸出的電壓，輸出的電流。12864 的樣子如圖

3.10 所示.

3.3 本章小結(jié)

圖 3.10 12864 液晶顯示

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經(jīng)過上面的論述，我們確定了使用 STC12C5A60S2 為主控芯片。用 IR2104 驅(qū)動(dòng)

電路對(duì)主電路的 MOS 管進(jìn)行控制。對(duì)測(cè)得輸入輸出電壓電流經(jīng)過合理的放大或者分 壓再傳給單片機(jī)自帶的 ADC 端口。當(dāng)按鍵設(shè)定在放電狀態(tài)時(shí)，同步整流電路為 BUCK 狀態(tài),能輸出 1.0～2.0A，0.05A 步進(jìn)電流，形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)按鍵設(shè) 定在放電狀態(tài)時(shí)，同步整流電路為 Boost 狀態(tài)，能輸出 30V 電壓，形成電壓閉環(huán)控 制系統(tǒng)。液晶采用 12864 來顯示信息。總體電路圖見附表 A。

4軟件設(shè)計(jì)

C 和匯編都適用于此款單片機(jī)。匯編語言速度快，但可讀性差，移植性不好，而 且對(duì)沒有這方面基礎(chǔ)我來說，編程很困難；而 C語言洽洽彌補(bǔ)了匯編語言的缺點(diǎn)， 它具有很好的移植性和可讀性。所以本文設(shè)計(jì)采用 C 語言編寫程序，在 Keil 51 的環(huán) 境下對(duì)其進(jìn)行開發(fā)。

4.1 電壓電流雙閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)要求輸出電壓應(yīng)小于 24V，輸出的電流已經(jīng)告知是 1.0~2.0A，所以在 設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)中，電壓和電流關(guān)系應(yīng)參考圖 4.1。

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圖 4.1 電流電壓關(guān)系

使得輸出電流在 2A 范圍內(nèi)，電壓在 24V 范圍內(nèi)。而在硬件參數(shù)固定的情況下， 輸出電流電壓只與 PWM 波的占空比有關(guān)，所以程序需要當(dāng)前的電壓電流信息與預(yù)設(shè) 值進(jìn)行比較，再對(duì) PWM 波的占空比進(jìn)行控制。具體的控制策略如下表 4.1 所示。

表 4.1 針對(duì)不對(duì)輸入電壓值和輸出電流時(shí)，PWM 波占空比的控制策略

	電流	電壓	PWM
條件	>2A	>24V	+10
		<=24V	-10
	<=2A	>24V	-10
		<=24V	-10

4.2 主程序設(shè)計(jì)

在主程序中，我們主要處理一些不涉及到與時(shí)鐘周期會(huì)產(chǎn)生矛盾的數(shù)據(jù)，比如 對(duì)之前測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加并取平均值（這是因?yàn)橛袝r(shí)候可能因?yàn)橥话l(fā)事故測(cè)量到 錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，累加取平均能使這種誤差變小），顯示這些數(shù)值，以及按鍵的檢測(cè)。

4.3 按鍵程序設(shè)計(jì)

圖 4.2 主程序流程圖

按鍵程序中，設(shè)定為按下 K3 的話，預(yù)設(shè)電壓就會(huì)增加；按下 K4，預(yù)設(shè)電壓就

會(huì)降低；按下 K2 的話，就能控制開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的工作，而開關(guān)管的工作狀態(tài)決定 了整個(gè)電路的工作狀態(tài)。圖 4.3 是按鍵程序的流程框圖 。

4.4 ADC 中斷程序

圖 4.3 按鍵程序的流程框圖

因?yàn)橐�采集三個(gè)電壓信息，而單片機(jī)的接口又是有限的，我們不能占用太多的

端口，可能會(huì)導(dǎo)致端口不夠用。所以想到用一個(gè)端口，采用中斷的方式對(duì)我們需要 的信息進(jìn)行采集，分時(shí)段進(jìn)行不同的工作。而且我們還要實(shí)時(shí)的檢測(cè)采得的數(shù)據(jù)并 且對(duì)輸出做出調(diào)整，手段就是控制 PWM，所以我們還要在中斷程序中加入對(duì) PWM 波的占空比增加還是減少寫判斷語句。

4.6 本章小結(jié)

本章通過論述，決定采用 C 語言編寫程序，并且給出了程序的設(shè)計(jì)框圖。針對(duì) 按鍵掃描程序給出了詳細(xì)的流程框圖。考慮到單片機(jī)的接口比較少，所以必須采用 中斷程序來采集題目要求中的三個(gè)模擬量，對(duì)此，也給出了較為詳細(xì)的流程框圖， 且附上了關(guān)鍵程序。詳細(xì)完整程序，見附錄 B。

5系統(tǒng)測(cè)試

5.1 實(shí)物圖片

本設(shè)計(jì)是由萬用板經(jīng)雕刻機(jī)雕刻后加工的，板子的正反面如圖 5.1 所示。

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5.2 測(cè)試過程

圖 5.1 實(shí)物

5.2.1 測(cè)試儀器

(1) 電源：兆信 30/5A 的數(shù)顯可調(diào)線性電源。如圖 5.2 所示。

(2) 萬用表：采用 2 個(gè)勝利牌 VC980+數(shù)字萬用表。

(3) 負(fù)載：負(fù)載為 100W 50Ω 的環(huán)形滑動(dòng)變阻器。

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圖 5.2 可調(diào)壓電源

5.2.2 測(cè)試指標(biāo)

（1）在充電模式下的輸出電流，液晶屏上顯示的電流值應(yīng)與電流表上顯示的數(shù)值相 差在 5%的范圍內(nèi)，且在 1.0 到 2.0A 步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)電流最大為 0.05A。

（2）電流變化率，設(shè)定輸出電流值，調(diào)整輸入電壓，其輸出電流隨輸入電壓的變 化。它體現(xiàn)了電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性能的好壞，電流變化率的數(shù)值應(yīng)越小越好。

（3）充電效率：在最大充電電流下，輸入功率與輸出功率的比值。

（4）當(dāng)檢測(cè)到電壓在 24±0.5V 時(shí)，變換器停止工作，輸出電流為 0。

（5）放電時(shí)，負(fù)載測(cè)電壓維持在 30±0.5V，并測(cè)試效率是否達(dá)標(biāo)。

（6）重量不超過 500g.

5.2.3 測(cè)試步驟 第一步：先接上輔助電源，此時(shí)板上的液晶亮起； 第二步：接輸出電源，此時(shí)顯示輸入電壓。接入電池，此時(shí)顯示輸出電壓；如

圖 5.3。

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圖 5.3 接入電源，顯示輸入電壓

第三步：按 k1，顯示 ON，表示開始充電，看有沒有輸出電流顯示。如果沒有，多 按幾次。（OF 表示關(guān)閉充電），如圖 5.4 。

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圖 5.4 顯示輸入電流

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第四步：按 k2，k3 調(diào)整輸出電流范圍是（1.0~2.0A，0.05A 步進(jìn)），如圖 5.5 所示。

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（a）設(shè)定 1.05A，輸出 1.07A(b)設(shè)定 1.10A，輸出 1.12A

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（c）設(shè)定 1.20A,輸出 1.21A（d）設(shè)定 1.25A，輸出 1.26A

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（e）設(shè)定 1.30A,輸出 1.32A（f）設(shè)定 1.35A，輸出 1.36A

（g）設(shè)定 1.40A,輸出 1.42A（h）設(shè)定 1.45A，輸出 1.46A

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（i）設(shè)定 1.50A,輸出 1.51A（j）設(shè)定 1.55A，輸出 1.57A

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（k）設(shè)定 1.60A,輸出 1.62A（l）設(shè)定 1.65A，輸出 1.67A

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（m）設(shè)定 1.70A,輸出 1.71A（n）設(shè)定 1.75A，輸出 1.79A

（o）設(shè)定 1.80A,輸出 1.82A（p）設(shè)定 1.85A，輸出 1.89A

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（q）設(shè)定 1.90A,輸出 1.92A（r）設(shè)定 1.95A，輸出 1.96A

（s）設(shè)定 2.00A,輸出 2.00A

圖 5.5 顯示電流與實(shí)測(cè)電流

設(shè)置電流和實(shí)測(cè)電流（A）如表 5.1 所示。

表 5.1 設(shè)置電流與實(shí)測(cè)電流

設(shè)置電流	1.00	1.05	1.10	1.20	1.25	1.30	1.35	1.40	1.45	1.50
實(shí)測(cè)電流	1.02	1.07	1.12	1.21	1.26	1.32	1.36	1,42	1.46	1.51
設(shè)置電流	1.55	1.60	1.65	1.70	1.75	1.80	1.85	1.90	1.95	2.00
實(shí)測(cè)電流	1.57	1.62	1.67	1.71	1.79	1.82	1.89	1.92	1.96	2.00

第五步：設(shè)定輸入電流為 2A，調(diào)整輸入電壓 24 至 36V，看電流變化率。如圖 5.6 所

示。（因?yàn)闇y(cè)試電源只有一臺(tái)，最高只能給到 31V 電壓）

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（a）輸入電壓 24V，輸出電流 2.00A（b）輸入電壓 25V，輸出電流 2.00A

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（c）輸入電壓 26V，輸出電流 1.99A（d）輸入電壓 26.9V，輸出電流 2.01A

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（e）輸入電壓 28V，輸出電流 2.00A（f）輸入電壓 29V，輸出電流 2.00A

（g）輸入電壓 30V，輸出電流 2.01A（h）輸入電壓 31，輸出電流 2.01A

圖 5.6 調(diào)整輸入電壓，輸出電流的變化 輸入電壓與輸入電流關(guān)系如表 5.2 所示。

表 5.2 輸入電壓與輸入電流

Is=2A

U2	24	25	26	27	28	29	30	31
I1	2.00	2.00	1.99	2.01	2.00	2.00	2.01	2.01

第六步：在輸出端串聯(lián) 5 歐水泥電阻，逐漸調(diào)大輸出電流，測(cè)試輸出電壓在 24±0.5

會(huì)不會(huì)保護(hù)。

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(a)串入的負(fù)載阻值是 4.5Ω（b）當(dāng)輸出電流是 1.23A 時(shí)，還未觸發(fā)保護(hù)

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（c）當(dāng)輸出電流在 1.30 到 1.35 之間時(shí)，觸發(fā)保護(hù)了 圖 5.7 水泥電阻阻值和保護(hù)顯示 第七步：輸入端接負(fù)載，按下放電按鈕，測(cè)輸出電壓和電流，如圖 5.8。

5.2.4 測(cè)試結(jié)果

(a)放電電壓和負(fù)載電流（b）放電電流 圖 5.8 放電效率測(cè)試

（1）輸出可在 1.0 到 2.0A 步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值為 0.05A。

(2) 電流變化率：調(diào)整電源輸入時(shí)，電流變化率約為 0

（3）充電效率測(cè)試如下表 5.3 所示。

表 5.3 充電效率

I1=2A（S）， U2=30V	輸入電壓（U2）	輸入電流（I2）	輸出電壓（U1）	輸出電流（I1）
數(shù)值	31	1.38	20．1	2.01
充電功率%	94

（4）過充保護(hù)：設(shè)定電流為 1.30 至 1.35A 時(shí)，輸出保護(hù)了。

（5）放電效率測(cè)試如下表 5.4 所示。

表 5.4 放電效率

	輸入電壓	輸入電流	輸出電壓	輸出電流
數(shù)值	14.5	2.14	30	0.97
放電功率%	93.7

（6）雙向 DC-DC 變換器、測(cè)控電路與輔助電源三部分的總重量不大于 500g。

5.3 本章小結(jié)

測(cè)試的結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)較好的完成了各項(xiàng)指標(biāo)，但是在放電效率這點(diǎn)上沒有 做到指標(biāo)。在控制精度，步進(jìn)值比預(yù)設(shè)要求更精細(xì)；充電效率滿足設(shè)計(jì)的要求。總 體來說,功能比較完善,是符合分析結(jié)果的作品。

結(jié)論

本次設(shè)計(jì)采用自帶脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的 STC12C5A60S2 單片機(jī)發(fā)生 47KHZ 的 PWM 信號(hào)，通過半橋驅(qū)動(dòng)器 IR2104 控制同步整流的升降壓電路。單片機(jī)能實(shí)時(shí)檢 測(cè)電流電壓數(shù)值，并通過其自帶的 10 位 ADC 反饋到片子內(nèi)部進(jìn)行處理。當(dāng)按鍵設(shè) 定在放電狀態(tài)時(shí)，同步整流電路為 BUCK 狀態(tài),能輸出 1.0~2.0A，0.05A 步進(jìn)電流， 形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)按鍵設(shè)定在充電狀態(tài)時(shí)，同步整流電路為 BOOST 狀 態(tài),能輸出 30V 電壓。

根據(jù)測(cè)試，同步 BUCK 效率為 94%。具有充電過壓保護(hù)功能。 本設(shè)計(jì)比較順利地完成了各項(xiàng)指標(biāo)，主要有以下幾點(diǎn)：

1）使用單片對(duì)變換器進(jìn)行控制，使變換器的功能多樣化；

2）通過液晶的顯示各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。

3）可以手動(dòng)調(diào)節(jié)變換器的輸出，以滿足不同的生產(chǎn)需求。 不足之處：

1）輸出的紋波仍然較大，如果采用更大的電感，匹配更加合適的電容，應(yīng)該可 以把紋波降低到更小的水平。

2）如果把板子制成 PCB，整個(gè)電路的性能會(huì)更加穩(wěn)定。

致謝

首先我要感謝我的指導(dǎo)導(dǎo)師，朱老師。（這么亂七八糟的論文，讓我有點(diǎn)不好 意思打出她名字）這個(gè)人是我生平遇見過為數(shù)不多充滿人格魅力的人。她為人真 誠(chéng)，幾乎認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)人；她精力充沛，除了處理平時(shí)繁雜的教學(xué)任務(wù)，她還是 一個(gè)毛小孩的媽，仿佛有無盡的精力。她節(jié)儉，但對(duì)學(xué)生卻很慷慨，我和一哥們不 知道到她那兒訛了多少頓飯。她耐心，為了我這篇論文能順利通過，她不厭其煩地 語音我近百條修改意見，雖然我還是沒修改好。對(duì)不起啊，我好羞愧。

然后感謝大學(xué)陪我一起上課，一起去實(shí)驗(yàn)室，一起報(bào)班輔導(dǎo)的老徐。這個(gè)人， 喜歡熬夜，痘痘很多，脾氣也很古怪。很難想象兩個(gè)脾氣古怪的人相處在一起會(huì)有 什么樣的結(jié)果。現(xiàn)在看來，結(jié)果還不賴。我們一起參加了電子設(shè)計(jì)大賽（我劃 水），雖然沒拿獎(jiǎng)，但是記憶像刀一樣刻進(jìn)了腦子里。一起備戰(zhàn)考研，他成功被西 安的高校錄取，我為他高興，轉(zhuǎn)頭就把女朋友送的鍵盤給他了。雖然有點(diǎn)舍不得， 但是我真的高興啊。還有今天，為了修改我的論文，他又陪了我整整一天。說不出 的感激。

最后還是想感謝一下已經(jīng)分手的女朋友，不知道謝什么，好像因?yàn)樗�，我有長(zhǎng) 進(jìn)一些。

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附錄A 原理圖

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附錄B 程序