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数字控制型四开关管Buck-Boost变换器DIY

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1
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-8-15 00:03:12
继倒腾完IP6518后,最近又想做一个给蓄电池充电的升降压变换器,希望输出电压能兼顾铅酸和锂电,输出电流最大到20A,采用数字闭环控制。
设计输入参数如下:
1、输入参数:5 - 60V @ 20A MAX
2、输出参数:1.8 - 56V @ 20A MAX
3、开关频率:220kHz
4、通信接口:CAN / 485
5、调压方式:数字给定
6、限流方式:数字给定,峰值电流限制模式
今天开贴,接下来会持续更新,请各位看官多多指教哈!
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-8-17 23:35:02
 
继续更新,放上功率部分的原理图 Buck-Boost功率回路.png
沧海一粒
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LV6
高级工程师
  • 2019-8-21 22:32:45
  • 倒数10
 
2019.08.21更新:反激辅助电源设计

一、基本输入输出参数
辅助电源输入电压:10 ~ 56V
输出电压: 5V @ 0.4A; 5V@ 0.2A; 12V @ 0.1A,设计总输出功率为5W
其中5V@0.4A输出组经线性稳压器降压后,为逻辑单元供电,
包括数字电源控制芯片STM32F334、WiFi模块NODEMCU(调试用)、3.2寸串口屏。

二、反激变换器设计
反激变换器设计为临界工作模式,r = 2,方便进行环路补偿, 开关频率为100kHz
a.反激变压器参数确定
1、选择合适的VOR
由于系统最大输入电压为56V,在这里选择耐压为120V的NCEP1212AS
,100℃时电流为8A,粗略估算,满足电流要求。稳压二极管耐压为60V,暂未选择型号。
设定VOR = 0.7Vzener,即42V。当输入电压为10V时,占空比最大,Dmax = 42 / (10 + 42)  = 0.8077
2、计算匝比n(n = Np/Ns)
定义n1、n2、n3分别为原边绕组与副边5V 5V 12V绕组的匝比,
因为"副边绕组电压 = 对应绕组整流后输出电压 + 二极管压降",
所以5V输出绕组与原边对应匝比为 n1 = n2 = 42 / (5 + 1) = 7,
12V输出绕组与原边对应匝比为n3 = 42 / (12 + 1) = 3.23,二极管压降定为1V
3、计算最大占空比
预估电源在10V输入电压下的满载效率为0.7,按此参数计算, 输入电流 = 5W / 10V / 0.7 = 0.714A
将输出功率等效到5V单输出绕组,此时Io = 5W / 5V = 1A ,根据匝比,Ior = 1 / 7 = 0.1429A
实际最大占空比 Dmax = 0.714 / (0.714 + 0.1429) = 0.83
4、计算原边最大电感量
L = V*Ton/△I, 其中 V = 10V, Ton = Dmax / fsw, △I = Ior / (1 - Dmax),
代入计算得原边电感量为48.6uH
5、选择合适的磁心
根据公式 Ve = 效率 * (2 + r)^2/r*Pin / f cm3计算出磁心Ve为400mm3,选择EFD15磁心,
磁心材料为PC40。
6、计算原副边匝数
根据公式Bmax  = L* Ipk / (N * Ae)计算原边匝数, 其中Bmax定在0.2T左右,通过EXCEL计算出原边匝数为28,副边匝数分别为4 , 4, 8
7、计算磁心气隙
根据L = 1/z * u0 * ur *Ae / le * N^2,z = (ur * lg + le) / le 计算气隙,
lg =  (u0 * ur *Ae / le * N^2 / L * le - le) / ur = 0.28mm,其中ur = 1600, Ae , Le对应磁心Ae , Le, N为原边匝数, L为原边电感量(先前计算值)
8、选择合适的导线
集肤深度 = 60 / sqrt(f) = 0.19,根据表中推荐值选择AWG25号漆包线,直径0.44 ~ 0.45mm, 对应截面积为0.159mm
电流密度为6A/mm2
原边峰值电流中心值为 0.1429 / (1 - Dmax) = 0.857A, 对应导线截面积需求为 0.857  / 6 = 0.145mm2 < 0.159mm,满足要求
考虑到实际工作时,温升要求不高,因此定副边5V 5V 12V导线股数分别为2、 1、 1
9、选择合适的绕组层叠结构
目前还没买到磁心、骨架和铜线,因此先做个这样的设想
a.原边绕组分为2个,一个在最内,一个在最外;
b.副边5V,0.4A绕组在内二层,12V在内三层, 5V,0.2A在内四层,如下图示
反激绕法.png
附计算表
留白MINTYPEMAX备注列1
VIN/V1060
VMOS_D/V120
Vzener/V60
VOR/V42
D(theory)0.4117647060.807692308
5V输出电压/V5
12V输出电压/V12
二极管压降/V1
5V绕组匝比7
12V绕组匝比3.230769231
总输出功率/W5
5V等效IO/A1
5V等效IOR/A0.142857143
效率0.70.8
输入电流/A0.714285714
实际占空比0.8333333330.857142857
Fsw1.00E+05
Ton/us8.33E+00
Et/V*us8.33E+01
rriple ratio0.52.00E+00
△ILp(DCM)0.4285714291.71E+00
ILOPK(DCM)36.00E+00
Lp4.86E+011.94E+02MIN为临界模式电感值
Ls(5V)9.92E-013.97E+00MIN为临界模式电感值
Ls(12V)4.66E+001.86E+01MIN为临界模式电感值
Ve/mm34.00E+02TYPE为临界模式Ve值
磁心参数
列1
列2
列3
列4
型号
EFD15
骨架5+5_SMD
Ve/mm3
510
Ae/mm2
15
Le/mm
34
Np
28
Bmax/T
1.98E-01
Ns_5V
4
Ns_12V
8.666666667
8
0.000787763
Vo_12/V
11
ur
1600
Lg/mm
0.28
z
14.17647059
Lp/uH
4.91E+01
导线参数列2列3列4列5
集肤深度/mm0.19
导线直径/mm0.38  0.45AWG25/320cmil
导线截面积/mm0.159043128
载流密度/(A/mm2)5
单根导线载流量/A0.79521564
原边股数1
副边5V股数4
副边5V_CAN股数1
副边12V股数1

三、电路设计
待画图
沧海一粒
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LV6
高级工程师
  • 2019-8-24 22:57:49
  • 倒数9
 
2019.08.24更新继上次计算出变压器参数后,就开始画原理图,今天简单介绍一下控制部分原理图。
欢迎感兴趣的朋友在下方留言点赞 ~
一、辅助电源

辅助电源

辅助电源

设计思路:
1、辅助电源使用反激拓扑,目的是提供一个隔离的5V用于CAN通信VCC电源;
12V是用于MOS驱动,允许电压偏移较大,5V输出后端接线性稳压,因此
这两路可以允许输出电压有较大偏差,故选择5V_ISO做反馈;
2、电源芯片使用3843,工作电压可以低到10V;
3、3843原边供电使用一个简单的线性稳压器预调整,规避输入电压较低时
使用电阻直接串联降压所导致的芯片反复打嗝的问题;
4、使用EFD15贴片骨架,方便焊接。
二、采样接口电路

采样部分

采样部分

设计思路:
1、电流信号直接使用电流采样运放进行处理,差分输入
2、电压采样信号采用普通运放进行差分放大,这里的增益小于1,可能会有问题
3、与功率板的接口采用2mm间距的直插排针,单个信号走两针,提高可靠性
三、控制及通信电路

控制及通信部分

控制及通信部分

设计思路:
1、采用STM32单片机进行电流电压采样及控制,拟用电压PID + 开关管峰值电流限制模式;
2、底层配置代码由代码生成工具自动生成;
3、预留2个串口、1个CAN通信接口、预留SWD仿真下载接口;
4、预留EEPROM,准备在电源工作时记录相关数据,以备调试和故障排查用;
5、预留WiFi接口,方便进行远程遥控,调试和数据回传。

今天就更新到这里了,欢迎你来拍砖哈~

KONSITA
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本网技师
  • 2019-9-4 18:35:06
  • 倒数7
 
请教一下:同STM32的哪个芯片做到220KHz,PWM的精度是多少啊。谢谢
沧海一粒
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LV6
高级工程师
  • 2019-9-8 21:54:53
  • 倒数5
 
STM32F334C8T6,HRTIM: 6 x16-bit counters, 217 ps  

kidultbin
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高级工程师
  • 2019-9-4 14:13:46
  • 倒数8
 
输出56V最大电流也可以到20A么
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-9-8 21:51:59
  • 倒数6
 
设计保证,还待试验
stopower
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LV6
高级工程师
  • 2019-9-19 14:35:33
  • 倒数4
 
期待楼主更新!
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-9-26 22:13:41
  • 倒数3
 
好啊!
此山中
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LV3
助理工程师
  • 2019-10-8 09:15:24
  • 倒数2
 
最近刚好要做个Buck-Boost的充电器,拟采用双环最小值竞争的方式做。有时间可以多交流
沧海一粒
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LV6
高级工程师
最新回复
  • 2019-10-12 16:33:24
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