單相AC-DC變換電路(A題)【本科組】王協(xié)平

1、 2013年全國大學生電子設計競賽單相AC-DC變換電路（A題）【本科組】參賽學校：江西科技師范大學參賽人員：王 協(xié) 平 張 紫 祥 張 超指導教師：曾 旺 輝2013年9月2日單相AC-DC變換電路（A題）【本科組】摘要：高功率因數(shù)電源是提高電源輸入端功率因數(shù)的高性能電源，應用日益廣泛。本系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正（APFC）方法，對BOOST主電路拓撲結構的升壓電路的輸入電流進行控制，使其達到與輸入電壓同頻且相位差為0，功率因數(shù)接近于1，從而實現(xiàn)高功率因數(shù)電源。系統(tǒng)采用UCC28019作為控制器，提高了電源的功率因數(shù)，具有良好的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率，輸入電流波形失真度小于5%，功率因素大于

2、0.98，效率達到95.2%，且采用單片機對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測，可測量輸出電壓、輸出電流、功率因數(shù)以及可實現(xiàn)輸出電壓自動設置等功能。系統(tǒng)在設計時從布局布線和濾波等方面消除電磁干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流、功率因數(shù)的測量及中文顯示功能，界面友好美觀。關鍵詞：AC-DC轉(zhuǎn)換；UCC28019；APFC；BOOSTAbstract: The high power factor of power supply is the high performance power supply that it can increase the power input power factor with becoming

3、 more and more widely. This system adopts the active power factor correction (APFC) method, which to control for the input current of the booster circuit of the BOOST main circuit topology, to attain the input voltage with the same frequency and phase difference being zero, and the power factor bein

4、g closer to 1, so as to realize high power factor of power supply. The system is used the UCC28019 as controller in order to improve the power factor of power supply that it has the excellent voltage regulation and the load regulation, and has less than 5% about the input current waveform distortion

5、, and has greater than 0.98 about the power factor, and the efficiency reached has more than 95.2%. and has adopted the single chip microcomputer to monitor the quality of the whole system , and to measure the output voltage, to output current, to power factor, and can be set up to realize automatic

6、 output voltage, and other functions.When the design from the aspects such as layout and filtering to eliminate electromagnetic interference. the System can realize the voltage, current, power factor measurement and Chinese display functions, interface is friendly and beautiful.Keyword：AC-DC convers

7、ion, UCC28019,APFC, BOOST 目錄1方案設計與論證31.1總體方案設計與比較31.2 PFC控制方案選擇51.2.1 PFC控制方案分析51.2.2方案選擇52理論分析52.1 提高效率的方法52.2 功率因素調(diào)整方法52.3 穩(wěn)壓控制方法63電路參數(shù)設計及程序設計63.1主回路器件的選擇及參數(shù)計算63.2 PFC控制電路及外圍參數(shù)計算73.3檢測與保護電路設計83.3.1輸入電壓、電流相位檢測電路83.3.2輸出電壓、電流測量電路93.3.3輸出過流保護電路93.4 數(shù)字設定及顯示電路設計93.5 輔助電源及基準的設計103.6系統(tǒng)軟件設計104測試方法與測試結果114

8、.1 測試儀器114.2 測試方法及測試結果115結論12參考文獻12附件1：元器件明細表13附件2 ：電路圖圖紙14附件3：功率因數(shù)測試波形15附件4 : 主要源程序161方案設計與論證1.1總體方案設計與比較方案1：采用MCU或DSP通過編程控制完成系統(tǒng)的功率因數(shù)校正。MCU時刻檢測輸入電壓、輸入電流以及輸出電壓的值，在程序中過一定的算法后輸出PWM控制信號，經(jīng)過隔離和驅(qū)動控制開關管，從而提高輸入端的功率因數(shù)。框圖如圖1所示。圖1 MCU控制方案結構框圖采用數(shù)字控制的優(yōu)點是通過軟件調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)調(diào)試方便，減少了元器件的數(shù)量。缺點是軟件編程困難，采樣算法復雜，計算量大，難以達到很高的采

9、樣頻率，此外還要注意控制器和主電路的隔離和驅(qū)動。方案2：采用UCC28019控制功率因數(shù)校正采用專門的PCF電路能從根本上消除諧波源，其中UCC28019是一款8引腳的連續(xù)導電模式控制器，只需要外接少量元件就可做到PFC調(diào)整器。該器件具有較高的輸入范圍，可利用平均電流控制模式使輸入電流波形畸變較低，使外圍電路電路網(wǎng)絡變得簡單，它還具有輸入欠壓保護，輸出過壓保護，過流保護，軟啟動及過載保護等。但其電路調(diào)試麻煩。UCC28019控制功率因數(shù)校正電路圖如圖2所示。圖 2 UCC28019控制功率因數(shù)校正電路圖方案3：采用UC3854控制的功率因數(shù)校正當前應用最為廣泛的PFC電路是升壓式Boost電路

10、拓撲，一般情況下都采用電流連續(xù)型控制。美國Unitrode公司產(chǎn)生的UC3854N/ AN/BN系列是常用的控制芯片，利用它可以將PF提高到0.99以上，然而在實際中卻常常存在一些問題，如輸出電壓飄升、尖端失真、功率管擊穿等。UC3854控制的功率因數(shù)校正電路圖如圖2所示。圖2 UC3854控制的功率因數(shù)校正電路圖方案選定：通過以上比較，方案1采樣頻率達不到要求。方案2和方案3都能達到試題要求，但方案3的外圍電路復雜，方案2外圍電路比較簡單，容易實現(xiàn)試題要求，且穩(wěn)定性比方案3更好。所以我們選擇了方案2。系統(tǒng)框圖如圖4所示。 圖 4 系統(tǒng)總體方案框圖1.2 PFC控制方案選擇1.2.1 PFC控

11、制方案分析在開關電源中大容量的濾波電容是導致輸入電流畸變引起功率因數(shù)降低的主要原因。使輸入電流正弦化，并與輸入電壓同相位，可提高輸入電源的功率因數(shù)，簡稱功率因數(shù)校正（PFC），PFC有兩種控制方法。（1）無源PFC（也稱被動式PFC）無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達到0.70.8。（2）有源PFC（也稱主動式PFC）有源功率因數(shù)校正簡稱APFC，主要控制輸入電流呈正弦波變化，且與輸入電壓之間的相位差盡可能接近為0，即功率因數(shù)接近為1。按照輸入電流的控制，有源功率因數(shù)校正有以下幾種方法： 1)平均電流型：

12、工作頻率固定，輸入電流連續(xù)（CCM）。 2)滯后電流型：工作頻率可變，電流達到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流。 3)峰值電流型：工作頻率變化，電流不連續(xù)（DCM）。 4)電壓控制型：工作頻率固定，電流不連續(xù)。 1.2.2方案選擇根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)選用的是有源PFC平均電流型控制，該控制方式有以下優(yōu)點：（a）恒頻控制。（b）工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積小。（c）能抑制開關噪聲。（d）輸入電流波形失真小。2理論分析2.1 提高效率的方法(1)整流二極管及續(xù)流二極管用快恢復低消耗的肖特基二極管代替(2)開關管采

13、用電阻小，流過電流大的IRF064(3)采用UCC28019作為控制環(huán)路芯片2.2 功率因素調(diào)整方法在假設變壓器副邊電壓U2為標準正弦波條件下，功率因數(shù)的計算公式為：式中：U2、I2分別為變壓器副邊的電壓、電流有效值，I21為I2中的基波分量, j1為U2和I21之間的相位差，v稱為諧波因子?？紤]到本題電路的特點，諧波因子近似等于1。為計算簡單，可以用U2、I2之間相位差 j 的余弦 cosj1 作為功率因數(shù)。（1）在單片內(nèi)中內(nèi)置一個算法程序，其輸出的PWM波去控制開關管，使電感電流為正弦波，只要按算法改變PWM波的寬度就可以改變輸入電流與輸入壓的相位差，即可以自動調(diào)整功率因素。詳細見附錄3。

14、（2）在電流環(huán)的外圍設計一個移相電路，通過這個電路對輸入電流進行移相，同時移相電路受單片機控制，通過程序就可以自動調(diào)整功率因素。（3）根據(jù)上述功率因數(shù)的計算式，也可以人為地改變諧波因子大小，從而改變功率因數(shù)。方法是在輸入電容CIN回路中串入一個可調(diào)電阻，改變可調(diào)電阻的阻值就可以改變諧波分量，從而調(diào)整功率因數(shù)。2.3 穩(wěn)壓控制方法利用UCC28019的電壓反饋電路進行穩(wěn)壓。3電路參數(shù)設計及程序設計3.1主回路器件的選擇及參數(shù)計算由題可知，主電路采用Boost主電路結構，主電路如圖5所示，交流220V輸入，經(jīng)過EMI濾波(電路中未畫)，隔離變壓器選擇150W、24V輸出的隔離變壓器；R1為采樣電阻

15、阻值為0.1歐，整流橋采用四個肖特基二極管搭成， R5取樣電阻檢測電感中的流過的電流。圖5 主電路電路根據(jù)設計要求，輸出電壓，電流，輸入電壓最小值，輸入電壓最大值，設系統(tǒng)效率為0.95，功率因數(shù)為0.99。因此輸入電流有效值為峰值電流為紋波電流為最大紋波電壓為（1）輸入濾波電容實際中用兩個1uF的電容并聯(lián)。（2）升壓電感值電感電流峰值為， 取0.2mH.（3）開關管的選擇電路工作頻率為65KHz，故電感的參數(shù)為0.2mH，最大電流6A。開關管要求工作在65KHz，導通電阻要小。基于上述要求，本設計采用Vds=55V，Id=25A，Rds=8m的MOSEFT管IRF064.這完全滿足設計要求。（

16、4）續(xù)流二極管的選擇由于本電路采用BOOST拓撲結構，因此續(xù)流二極管的選擇非常重要。在電路中受輸出大電容的影響，續(xù)流二極管應滿足最大整流電流大于12A，受儲能電感及開關管的影響，續(xù)流二極管的反向恢復時間要盡量小。鑒于此要求，本設計采用肖特基二極管作為續(xù)流二極管，它的反向恢復時間完全達到設計要求，實際使用效果不錯。（4）電感電流采樣電阻實際采用康銅絲做采樣電阻，阻值為0.05歐左右。（5）輸出濾波電容實際取3個耐壓為50V的2200uf電解電容并聯(lián)，可有效降低電容的等效串聯(lián)電阻。3.2 PFC控制電路及外圍參數(shù)計算PFC控制電路采用TI公司的專用PFC芯片UCC28019，作為整個校正系統(tǒng)的控制

17、器。UCC28019為持續(xù)傳導模式的PFC控制器，鋸齒波振蕩頻率為65K，推挽式輸出的驅(qū)動電壓可達12.5V，電流達1.5A。校正后的功率因數(shù)可達0.99以上，特別適用于BOOST 升壓電路，輸入電壓范圍寬，輸出功率大。FPC控制的電路圖如圖6所示。圖6 FPC控制電路控制電路12V電壓供電，圖中R6和C5對輸入電壓值進行濾波，R6采用220歐的電阻，C7取1000pF，4是電流環(huán)的補償電容，取值1000pF，C6輸入電壓采樣后的濾波電容，取值0.47uF，C9、C10、R11為電壓環(huán)的補償環(huán)節(jié)，R8取值30K，C10取值10uF，C9取值0.47uF，R9、R12都為最大阻值200K的滑動變

18、阻器。3.3檢測與保護電路設計3.3.1輸入電壓、電流相位檢測電路對輸入電壓、電流進行采樣，是為了計算兩個信號之間的相位差，進而求得功率因素。首先采用LM311D對輸入的電壓信號和電流信號分別進行適當放大，放大之后各自通過LM311D構成的過零比較器變成方波信號，之后這兩個方波又送入雙D觸發(fā)器74LS74從而得到輸入電壓、電流的相位差信號，最后通過電壓跟隨器送到單片機進行計算與處理，最終得到功率因數(shù)的測量值。與采用電壓互感和電流互感檢測電路相比，該方案電路制作簡單，要求成本較低。相位差測量電路如圖7所示。圖7 輸入電壓、電流相位差測量電路3.3.2輸出電壓、電流測量電路輸出電壓Uo經(jīng)電阻分壓跟

19、隨后送入STC12C5A60S2單片機進行處理，電流Io則通過在電路中串入由康銅絲制成的采樣電阻Rs，采用12864中文液晶顯示電壓、電流值，清晰美觀。輸出電壓、電流測量電路如圖8所示。圖8 輸出電壓、電流測量電路3.3.3輸出過流保護電路本系統(tǒng)要求有過流保護功能，輸出電流為2.5A時電路自動保護。鑒于此要求設計了三重輸出過流保護。第一重：使用5A保險絲。第二重：單片機實時檢測輸出電流，并顯示是否過流第三重：硬件檢測，并指示是否過流。硬件過流保護電路圖如圖9所示。圖 9 過流保護電路圖3.4 數(shù)字設定及顯示電路設計本系統(tǒng)采用LCD128164帶字庫的液晶顯示器，支持串行和并行模式，我們采用并行

20、接口與MCU相連。顯示電路圖10如圖所示。圖10 顯示電路圖3.5 輔助電源及基準源設計輔助電源對整個系統(tǒng)的工作十分重要，本系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓芯片（LM7815、LM7805、LM7915和LM7905）設計。電路設計簡單，三端穩(wěn)壓構成的線性電源紋波小，輸出電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強。輔助電源輸出±15V, +12V,+5V?；鶞蕿?2.5V。有關電路圖詳見附錄2所示。3.6系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計分為兩大部分，包括輸出檢測及顯示；功率因數(shù)檢測。設計流程如圖11所示。圖 11 軟件設計的流程圖4測試方法與測試結果4.1 測試儀器（150/3A）可調(diào)滑線變阻器，KP284電子負載，六位半數(shù)字

21、萬用表，PF測量儀4.2 測試方法及測試結果 （1）在交流電壓、輸出直流電流條件下，輸出的電源電壓為標準的36V。 （2）負載調(diào)整率測試負載采用KP284電子負載，待系統(tǒng)進入額定狀態(tài)（輸入電壓保持恒定18V不變）時，調(diào)節(jié)電子負載，改變輸出電流，用六位半數(shù)字萬用表監(jiān)測輸出負載電壓。具體數(shù)據(jù)如表1所示。表1 負載調(diào)整率測試數(shù)據(jù)測試次數(shù)1234輸出電流（A）0.21.01.52.0輸出電壓（V）36.136.0536.0236.0由上表可根據(jù)以下公式求得負載調(diào)整率：（3）電壓調(diào)整率測試采用KP284電子負載作負載，待系統(tǒng)進入額定狀態(tài)（輸出電流為2A）時，改變輸入電壓，用五位半數(shù)字萬用表監(jiān)測輸出負載電

22、壓。記錄電壓數(shù)據(jù)如表2所示。表2 電壓調(diào)整率測試數(shù)據(jù)測試次數(shù)12345輸入電壓2023252730輸出電壓35.9635.9936.0136.0336.05根據(jù)相關公式可計算出電壓調(diào)整率（4）功率因數(shù)測量電路誤差測試負載采用KP284電子負載作負載，使系統(tǒng)達到額定狀態(tài)，輸入電壓和電流均為正弦波。用數(shù)字式單相電參數(shù)測量儀和單片機測量電路分別測量交流輸入側功率因數(shù)。記錄功率因數(shù)測試數(shù)據(jù)如表3所示。表3 功率因數(shù)測量電路誤差測試數(shù)據(jù)測試次數(shù)1234單相電參數(shù)測量儀顯示功率因數(shù)0.9850.9840.9860.985單片機測量電路顯示功率因數(shù)0.9870.9850.9870.986功率因數(shù)測量誤差0.

23、0020.0010.0010.001（5）過流保護動作電流測試用KP284電子負載作負載，設定電流為2.0A，不斷調(diào)節(jié)電子負載的輸入電流，直至電路啟動過流保護。記錄最大電流數(shù)據(jù)如表4所示。表4 過流保護電流測試數(shù)據(jù)測試次數(shù)123最大電流（A）2.552.552.55（6）交流輸入側功率因數(shù)測試在，條件下，AC-DC電路交流輸入側功率因數(shù)測試結果見表3所示，其平均值為0.985。（7）AC-DC 變換電路效率測試在，條件下，電路效率為95.2%.。（8）功率因數(shù)調(diào)整測試功率因數(shù)調(diào)整范圍在0.820.95之間。5結論經(jīng)測試該電路能有效的提高電源的效率，電路工作時，交流電經(jīng)橋式整流后并不能得到很平滑

24、的波形，仍存在一定的誤差。而UCC28019內(nèi)部工作原理是：電流調(diào)節(jié)為平均電流采樣模式，跟蹤電壓波形的電流波形經(jīng)濾波放大后與三角波比較，所以整流后失真電壓波形引起紋波誤差，這個誤差將導致輸出PWM波誤差。若芯片在設計上能將此誤差考慮在內(nèi)，設計效果會更佳。參考文獻1 郭天祥，51單片機C語言教程.北京：電子工業(yè)出版社，2009，12 彭偉.單片機C語言程序設計實訓100例.北京：電子工業(yè)出版社，2012，63 臧鐵鋼,唐才峰,陳學鋒.ProtelDXP電路設計與應用.北京:中國鐵道出版社，2005,54 康華光,陳大欽,張林.模擬電子技術基礎.北京:高等教育出版社，2012，35 周志敏，周紀海

25、，紀愛華.開關電源功率因數(shù)校正電路設計與應用.北京：人民郵電出版社，2004，116 【美】Sanjaya Maniktala著 王志強 等譯 ，精通開關電源設計. 北京：人民郵電出版社，2008,10附件1：元器件明細表器件名稱型號數(shù)量電阻010K17電阻11K2電阻22K2電阻320K2電阻41M1電阻51001電阻62201電阻70.12電阻80.051滑動變阻器0200K2滑動變阻器050K2電容02200uF4電容11000uF3電容2220uF4電容347uF8電容410uF5電容51uF3電容60.47uF1電容70.1uF6電容80.01uF9電容91000pF2電感100mH

26、1肖特基二極管STC20L45CT6二極管40078光耦Tlp2501有源晶振1開關轉(zhuǎn)換繼電器基準電壓源TL4311穩(wěn)壓芯片LM7805、LM7905，LM7815、LM7915各2，各1功放芯片IRF0641液晶顯示LEDLCD128641APFC控制芯片UCC280191MCUSTC12C5A60S21運放TL082，OP07，LM393，LM358各1變壓器2插件若干發(fā)光二極管6附件2 ：電路圖圖紙附件3：功率因數(shù)測試波形附件4 : 主要源程序/頭文件/#include "reg51.h"#include "intrins.h"#define uc

27、har unsigned char#define uint unsigned int/*Declare SFR associated with the PCA */sfr CCON = 0xD8; /PCA control registersbit CCF0 = CCON0; /PCA module-0 interrupt flagsbit CCF1 = CCON1; /PCA module- interrupt flagsbit CR = CCON6; /PCA timer run control bitsbit CF = CCON7; /PCA timer overflow flagext

28、ern void InitADC();extern void InitUART();extern uint GetADCResult(uchar ch);extern void delayms(uint xms);extern void j12864init();extern void j12864_set_pos(uchar x,uchar y,uchar *s);/子函數(shù)/*ADC*/#include "HEAD.H"/*Declare SFR associated with the ADC*/sfr ADC_CONTR = 0xBC; /ADC control reg

29、istersfr ADC_RES = 0xBD; /ADC hight 8-bit result register sfr ADC_LOW2 = 0xBE; /ADC low 2-bit result register sfr PLASF = 0x9D; /P1 secondary function control register輔助功能控制寄存器/*Define ADC operation const for ADC_CONTR*/#define ADC_POWER 0x80 /ADC power control bit #define ADC_FLAG 0X10 /ADC complet

30、e flag#define ADC_START 0X08 /ADC start control bit#define ADC_SPEEDLL 0x00 /540 clocks#define ADC_SPEEDL 0x20 /360 clocks#define ADC_SPEEDH 0x40 /180 clocks#define ADC_SPEEDHH 0x60 /90 clocksuchar ch=0; /ADC channel No/* software delay function*/void delay(uint n)uint x;while(n-) x=5000;while(x-);/

31、*Initial ADC sfr*/void InitADC()PLASF = 0x0f; /set P1-0、P1-1、P1-2 as analog port/ADC_RES = 0; /clear previous resultADC_CONTR = ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START;delay(2); /ADC power-on delay and start A/D conversionuint GetADCResult(uchar ch) uint rest;ADC_CONTR = ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START|ch;_

32、nop_(); _nop_();_nop_(); _nop_();while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);ADC_CONTR&=ADC_FLAG;rest=2*ADC_RES+ADC_LOW2;/取10位return rest;/* J12864驅(qū)動程序*/#include "HEAD.H"/*J12864中文控制端定義*/sbit rs=P27; sbit rw=P26;sbit e=P25;void delayms(uint xms)uchar i;while(xms-)for(i=0;i<=120;i+);void writecm

33、d(uchar cmd) /J12864寫命令rs=0; rw=0;e=0; P0=cmd;e=1; delayms(10); /此處的延時長短可以決定顯示不是顯示e=0; void writedat(uchar dat) /J12864寫數(shù)據(jù)rs=1; rw=0;e=0; P0=dat; e=1; delayms(2); e=0; void j12864init() /J12864初始化writecmd(0x30);delayms(5); /8位數(shù)據(jù)，基本指令操作writecmd(0x01);delayms(5); /清除J12864的顯示內(nèi)容writecmd(0x0c);delayms(5); /顯示開、關光標void j12864_set_pos(uchar x,uchar y,uchar *s) uchar pos;if(x=0)x=0x80;else if(x=1)x=0x90;else if(x=2)x=0x88;else if(x=3) x=0x98;pos=x+y;writecmd(pos);while(*s!='0