1、设计任务

设计制作三端口 DC-DC变换器，其结构框图如图 1所示。变换器有两种工作模式:模式Ⅰ,模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电（IB>0）；模式Ⅱ，模拟光伏电池和电池组同时为负载供电（IB<0）。根据模拟光照（Us的大小）和负载情况，变换器可以工作在模式Ⅰ或模式Ⅱ,并可实现工作模式的自动转换，在各种情况下均应保证输出电压 Uo稳定在 30V。

2、设计要求

2.1  基本要求

（1）US=50V、IO=1.2A条件下，变换器工作在模式 I，UO=30V±0.1V，IB≥0.1A；

（2）IO=1.2A、US由 45V增加至 55V电压调整率 SU≤0.5%；

（3）US=50V、IO由 1.2A减小至 0.6A，负载调整率 SI≤0.5%；

（4）US=50V、IO=1.2A条件下，变换器效率η≥90%。

2.2  发挥部分

（1）IO=1.2A、US由 55V减小至 25V，要求：变换器能够从模式 I自动转换到模式 II；在 US全范围实现最大功率点跟踪，偏差 0.1V；电压调整率SU≤0.1%；

（2）US=35V、IO=1.2A条件下，变换器工作在模式 II，UO=30V±0.1V，效率η≥95%；

（3）US=35V、IO由 1.2A减小至 0.6A，变换器能够从模式 II自动转换到模式 I，负载调整率 SI≤0.1%；

（4）其他。

3、设计方案评定与选择

3.1电路设计方案

3.1.1方案一：开环控制系统

团队初期鉴于开环系统无反馈电路，结构较为简单，成本低的特点拟采用开环系统对 BUCK、BOOST系统进行控制，但同时也考虑了其控制精度低，容易受到外界干扰的的弊端

3.1.2方案二：闭环 PID控制系统

为了提高精度，采用带有反馈电路的闭环系统。采集输出电压、电流，与期望值进行比较，并且借助 PID控制，实现与题目所给值更加接近的目标。综上所述，团队最终敲定方案二，简易原理图如下：

Simulink仿真如下图：

3.2  各模块设计方案比较与选择

3.2.1  降压电路（BUCK电压闭环）

方案一：变压器降压是最为常见的一种方案，它的稳定性很强，不仅可以用于小功率电路，也可以用于大功率电路。唯一的局限性就是当电路功率较大时，只能使用变压器来降压。于此同时，它的另一个显著不足就是电路相对复杂，且成本较高。对于本次赛题来讲价格较贵，且对于完成任务来说不是最优选择。

方案二：电感、电容来降压相比较而言，成本要节省很多，但明显不适用于本次赛题中模式Ⅰ、Ⅱ相互切换，且要求精度较高的情况，故不采用此方案。

方案三：BUCK电压闭环电路降压直流稳压电源提供 Ui后接 BUCK降压电路，电容 C1进行滤波，得到输出电压 Uo，Uo通过 PI控制所输出的波形对 MOS管的通断进行控制，以此来形成闭环电压控制，从而降低成本，提高精度，实现 Uo稳定在 30±0.1V的目的。

因此，本团队最终采用方案三

3.2.2  升压电路（BOOST电流闭环）

首先可以明确的是电池端为 4节容量 2000~3000mAh的 18650型锂离子电池串联组成，每节电池约为 3.7V，则四节串联起来即为 14.8V，作为 DC-DC变换器的另一端口，需要并联入负载端（负载端电压为 30V），因此需要升压电路

方案一：BOOST电流闭环电路以电池提供的 14.8V，配合电流闭环与 PI控制，来达到控制 IB、η1符合规定的目的。此方案所需材料少，可控精度高。

方案二：变压器升压电路最大的优势是成本相较于方案一要低，且电路结构简单；但没有反馈电路，并且转换效率较低，输出功率小，无法满足赛题模式Ⅰ、Ⅱ的自由转换。

因此，选用方案一

3.2.3控制电路

方案一：STM32

STM32作为一款非常常见的单片机，在使用中程序易根据原理去编写，可以在强电干扰，与高温场合。但在运算速度上具有较慢的速度；

方案二：DSP

使用 TMS320F28335芯片，在运算方面相对于 STM32具有较快的运算速度，基于 DSP可以进行更复杂的算法编写，实物控制更加精细化。与此同时，DSP中具有大的 C库，使用与运算起来更加方便；

因此，采用方案二

3.2.4  程序设计

根据仿真原理，电路整体上采用了两个 Buck电路，并且分别采用电压闭环控制与电流闭环控制，根据此来设计程序。首先，对基础的所需的参量进行定义。根据仿真结果设置我们所需的 Kp与 Ki的值，并且设置采样的周期。在算法方面，定义结构体，并且上电测量出实际的电流电压值，根据实际的参数根据某个比例进行调整得到我们所需的电流电压的值。

4、理论分析与计算

4.1  BACK电路相关计算

（1）开关管导通时，由基尔霍夫电压定律得：UL=Ui-Uo=20V

（2）开关管断开时，由基尔霍夫电压定律得：UL=-Uo=30V

（3）针对电感 L应用“伏秒值相等的原则”得：

(Ui-Uo)·D·Ts-Uo(1-D)Ts=0

（4）求的 D为：D=Uo/Ui=0.5

4.2  主要器件计算

电感 L

（1）开关管导通时，由基尔霍夫电压定律得：UL=Ui-Uo

（2）由法拉第定律：UL/L=ΔIL/D·Ts

（3）电感 L为：L=UL·D·Ts/ΔIL

电容 C

（1）电容 C充电的电荷为：ΔQ=ΔIL·Ts/8

（2）电容定义式：C=ΔQ/ΔUc

（3）将 1中的式子带入 2中：C=(ΔIL·Ts)/(8ΔUc)

4.3  提高效率的方法

（1）使用品质更好的元器件；

（2）降低开关频率

5、硬件原理图与 PCB

5.1  功率板

原理图

PCB

5.2  底板原理图

PCB

5.3  AD采样板

原理图

PCB

6、测试分析与计算

（1）US=50V、IO=1.2A条件下，变换器工作在模式 I，UO=30V±0.1V，IB≥0.1A。

（2）IO=1.2A、US由 45V增加至 55V，电压调整率 SU ≤0.5% 。

当 US=45V时，UO=29.98V

当 US=55V时，UO=30V

经计算可得，SU=0.0007≤0.5

（2）US=50V、IO由 1.2A减小至 0.6A，负载调整率 SI≤0.5%。

当 IO等于 1.2时，UO=29.99V

当 IO等于 0.6时，UO=30V

SI=0.0003≤0.5

（4）US=50V、IO=1.2A条件下，变换器效率η≥90%

经计算得η1=92％-96％≥90％

7、附录：程序示例

请见附件