2015电源题笔记（双向DCDC）

全文框架

1.硬件部分

1.1理论

题目示意图

Boost升压电路
boost升压电路(boost converter or step-up converter)是一种常见的开关直流升压电路，它通过开关管导通和关断来控制电感储存和释放能量，从而使输出电压比输入电压高。

分析：电感和电容的值都很大，因此在充放电过程中，电感电流和电容电压变化缓慢

充电过程中三极管导通，等效电路如下：
此时输入电压流过电感，电感电流增加。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感能量增加。

放电时三极管截止，等效电路如下：
由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。由于开关速度很快，电容放电后又被电感充电，电压变化很小，可以近似看做直流。

因此，电感能量与电容能量相互转换。这个开关的过程不断重复，输出端就能一直保持比输入端高的电压，大小由三极管或MOS管的输入的占空比决定；电容量足够大的话，输出端就会保持一个持续的电流。

BUCK降压电路

与BOOST升压原理相似，MOS管导通时给LC充电，断开时LC给R供电，由于电感电流和电容电压不能突变，电压变化小，开关速度快的时候可以近似看做直流。由于直流经MOS管变成方波，其能量减少，于是输出的电压小于输入。

1.2原理图和PCB

主电路

主电路仿真（升压和降压）

降压时，Q2截止，Q1工作：

升压时，Q1截止，Q2工作

电源部分
sourceIN为数字供电端，输出12v，3.3v和5v供其他模块使用

接地部分

AGND为模拟地，GND为数字地，两者用0R电阻（仍有阻抗）相连。为了防止数字地干扰模拟地。
注意各部分GND的区分，最后在总电源处汇聚，一点接地。

采样部分

MOS管驱动部分

PCB板1

PCB板2

1.3 实验数据和波形

PCB板1波形及分析：

采样部分有噪声，规律出现，形状为震荡衰减，幅值约1V，原因不明：

时间延长后：


PCB板1：噪声原因分析
因为噪声的幅值在输出端显得很小，所以不明显。但是经过采样后噪声幅值没有变化，因此相对于采样电压很明显。
原因是MOS的下降沿，噪声频率约10MHZ：

放大后：

经排查，发现是单片机输出的波形有尖峰，导致mos输出震荡，更换单片机后问题得到改善：
单片机波形有尖峰，且频率越高尖峰越大：

更换单片机后，波形得到改善：

PCB板2波形及分析
输出的两路互补PWM波

输出PWM波的死区时间约64ns，符合MOS的条件。（ir2110没有内置死区）

采样GND实验记录：
当GND选得离采样点从远及近时：



原因分析：GND也有电阻，当GND越长，电阻越大，其产生的误差越大。当乘一个比例时，误差就会被放大，因此GND务必选在采样点最近的地，然后直接连到单片机的GND上。

采样增益的测量：
电流增益根据INA282增益以及采样铜丝估计，而后实际测量多次，求平均值。
电压增益根据电阻分压大致估算，测量方法同上。
实验时测量数据：

经分析，测量值与理想值误差原因有很多，主要为电阻的误差，其次是电路布局，焊接时的状态等等。

输出波形
输入28v时输出20v，看其FFT可知，纹波非常小。

2.软件部分

2.1代码（STM32控制器）

位置PID部分：


不工作模式

充电模式

放电模式（与自动模式共有，显示时判断键值即可）

2.2数据与波形分析

充电模式波形
位置式PID调节电流I1时所产生的波形，震荡较大，采用增量式PID和自适应调节，可能效果会好一些

稳定时偶尔会产生震荡，此时P值为0.001，I值为0.05，。将铅蓄电池更换为锂电池之后，波形得到改善。

充电模式数据

U2为24V时

U2为30V时

U2为36V时

放电模式波形
电压调节过程，基本较稳定（PID参数为Kp=0.001,Ki=0.03，故电源调节不太需要PID，平稳上升，波动小是最重要的

放电模式数据
电压在一段时间后稳定下来，满足30（±0.5）的要求，但效率在90%-92%之间波动（显示最高在94%），未达到要求。

原因分析
效率问题可能出在二极管和MOS管上
第一次测的放电效率为91.3%-91.6%（取十次串口返回的效率值的平均值）。
更换MOS管之后效率为92.1%-92.5%，效率依然没有提上去多少。
二极管，选择最大反向电压为60/42的SR260二极管，压降已经是比较低

注 ：显示效率与实际效率依然有偏差，实际效率并没有测，可能大也可能小，偏差在于ADC采样的偏差和计算时带入的之前测的比例系数。

自动充放电模式
电压U2在30V（±0.5V）稳定。

总结

2015年电源题应该是比较简单的，拓扑较基础，程序也不复杂。
比较有技巧的地方是减少直流输出的纹波，PCB布局，器件参数的计算和型号选择