基于单片机控制的DC—DC变换电路

作者：李继强等

来源：《电子技术与软件工程》2015年第22期

        摘 要针对2015年全国大学生电子设计竞赛A题，本设计采用LM2577和LM2596分别实现系统升压和降压，采用单片机产生的PWM信号来调节降压电路实现给电池组恒流充电时电流的控制。为了使得输出稳定，对输出进行测量，通过软件调节算法得到PWM的占空比，输出给LM358比较器，形成闭环控制。LM2577和LM2596芯片均有过流保护的功能。

        【关键词】双向DC-DC变换 LM2577 LM2596 单片机控制

        1 系统方案设计

        1.1 方案设计

        本方案采用单片机为主设计测控电路。通过对DC-DC直流转换器输出电流进行监测，通过键盘输入输出电流设定信号，通过单片机输出PWM信号与LM358比较器形成比较电压，电流反馈闭环电路，从而对LM2596芯片进行控制，控制buck电路的接通关断，以保证DC-DC的变换。升压部分直接由LM2577电路控制稳压其结构图如图1所示。

        1.2 控制系统设计

        采用LM2577和LM2596设计升压电路和降压电路。buck电路配合测控电路使用效果好，成本也很低，电路图也容易焊接调试。利用单片机构成测控电路，使得我们能够更加方便的使用键盘来控制转换器输出的电压电流，通过主电路的反馈端来检测电流并采样从而调整PWM来达到控制输出和过流保护的功能。单片机的测控电路更加简单，所使用的元器件更少，控制更加方便，所以采用该方案。

        1.2.1 升压系统

        DC-DC电池组放电情况下，以boost升压电路为核心电路。精髓在于作为开关的LM2577芯片。该芯片工作时4、5引脚接通对L1电感充电，4、5引脚关闭电感L1缓慢为电容充电。通过4、5引脚的开通和关断，使得输出端升压。同时2引脚是输出反馈端，使得输出电压稳定不发生变化，即起到稳压作用。

        1.2.2 降压系统

        DC-DC转换器为电池组充电情况下，是以buck降压电路为核心电路。精髓在于作为电路开关的LM2596芯片。该电路工作时，2引脚打开对L2电感电容C充电储能，2引脚关断时电感与电容缓慢放电维持电压。LM2596芯片4引脚稳压反馈输入端，并通过电阻R4与R5分压反馈给4引脚稳定输出电压。通过采样电阻检测充电电流并通过LM358比较器采集并与飞思卡尔单片机产生的电流PWM信号进行比较，进而控制充电电流可调。

        1.3 系统流程图

        如图1、图2所示。

        2 理论分析与计算公式

        （1）电流控制精度计算

        ，其中I1为实际电流、I10为设定值。

        （2）电流变化率的计算

        设U2=36V时，充电电流值为I11；U2=30V时，充电电流值为I1；U2=24V时，充电电流值为I12，则

        。

        （3） DC-DC变换器效率计算

        、，其中。

        3 测试方案与测试结果

        3.1 测试方案

        3.1.1 硬件调试

        （1）测试输入20V电压在升压模块（带负载），调节电位器使其输出精确到30V。

        （2）测试输入30V直流电压在降压模块中，并利用可调模拟电压输入电流PWM测试是否充电电流可调。

        （3）输出模拟短路状态下，看是否均有保护电路的功能，当排除短路条件后系统是否能够恢复充电功能。第四步，分别测试电池组充电和放电两种状态的输出电压电流。

        3.1.2 软件调试

        （1）通过飞思卡尔单片机编写AD功能程序，用5位半电压表测试AD电压值输出数据。

        （2）测试键盘功能，确保按键按下时，输出数据准确、键盘功能可靠。

        3.1.3 硬件与软件联调

        将调试好的软件程序烧录到单片机中，根据算法公式输入相关AD值，控制输出电路所输出电压与键盘设定输出电流相同。程序实时监测系统充电模式下步进控制输出电流值。

        3.2 测试仪器

        数字万用表；直流稳压电源。

        3.3 测试结果及分析

        充电时效率：第一次96.6%，第二次96.1%，第三次96.8%。

        放电时效率：第一次91.1%，第二次91.8%，第三次92.0%。

        4 结果分析

        基本要求：接通S1、S2，断开S3，将装置设为充电模式。

        （1）U2=30V条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1在1-2A范围内步进可调，步进值不大于0.1A，电流控制精度不低于5%。（完成）

        （2）设定I1=2A，调整直流稳压电源输出电压，使U2在24-36V范围内变化时，要求充电电流I1的变化率不大于1%（完成）

        （3）设定I1=2A，在U2=30V条件下，变换器的效率（完成）

        （4）测量并显示充电电流I1，在I1=1-2A范围内测量精度不低于2%。（完成）

        发挥部分：

        （1）断开S1、接通S2，将装置设定为放点模式，保持U2=30±0.5V，此时变换器效率。

        （2）接通S1、S2，断开S3，调整直流稳压电源输出电压，使Us在32-38V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U2=30±0.5V。（完成）

        （3）双向DC-DC转换器、测控电路与辅助电源三部分的总重量不大于500g。（完成）

        参考文献

        [1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.12.