單相AC-DC變換電路論文

1、系統(tǒng)以ucc28019為控制核心，實現(xiàn)有源功率因數校正，在控制方法上采用了平均電 流控制策略，通過對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,功率因數接近于1,從而實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在36v, 最人輸出電流為2a的高功率因數電源。采用ucc28019作為控制器，提高了電源的功 率因數，具有良好的電壓調整率和負載調整率，輸入電流波形失真度小。關鍵字：ucc28019, pfc, boost 電路第一章系統(tǒng)方案21.1系統(tǒng)總體方案設計21.2方案設計與論證2第二章系統(tǒng)綜合設計32.1系統(tǒng)總體流程32.2系統(tǒng)軟件設計32.3系統(tǒng)硬件設計32. 3. 1

2、總體設計32.4電路設計與計算42.4.1輸入電感參數的計算42.4.2輸出電容參數的計算42.4.3整流橋的選擇52. 5過流保護模塊5第三章測試與調試53. 1主電路調試53.2檢測電路調試53. 2.1軟件調試63. 2. 2實驗測試結果6第四章結論6參考文獻6第一章系統(tǒng)方案11系統(tǒng)總體方案設計木系統(tǒng)采用stm32單片機為檢測控制核心，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測，可測量輸岀電壓、 輸出電流、功率因數以及可實現(xiàn)輸出電壓自動設置等功能。主電路為boost電路，由 pfc芯片ucc28019控制開關管導通關斷，經過boost電路升壓后電壓變?yōu)?6v?？刂?電路和測量電路包括pfc控制電路和單片機測量控

3、制電路，pfc控制電路由專用pfc芯 片組成，單片機測量控制電路主耍是輸出側通過電阻分壓并用ad進行采集送至單片機 進行電壓測量顯示，同樣通過采集采樣電阻電壓進行屯流測量顯示。保護電路由pfc芯 片的過壓和過流保護，以及ad檢測輸出電流的人小，過流則關斷單片機控制繼電器。12方案設計與論證方案一：采用dsp+boost實現(xiàn)該方案的控制方法為數字控制，即采用dsp通過編程控制完成系統(tǒng)的功率因數校正, dsp時刻檢測輸入電壓、輸入電流以及輸出電壓的值，在程序中經過一定的算法后輸出 pwm控制信號，經過隔離和驅動控制開關管，從而提高輸入端的功率因數方案二：采用b00st+uc3854實現(xiàn)。該方案的控

4、制方法為模擬控制方法ouc3854是一種工作于平均電流的的升壓型有源 功率因數校正電路，它的峰值開關電流近似等于輸入電流，是h前較為廣泛使用的apfc 電路。該方筆所實現(xiàn)的pfc電路，要調節(jié)uc3854的電壓放大器，電流放大器和乘法器。方案三：采用b00st+ucc28019實現(xiàn)該方案的控制方法與方案二相同都是模擬控制方法。ucc28019是ti公司新近推出 的一種功率因數校正芯片，該芯片采用平均電流模式對功率因數進行校正，使輸入電流 的跟蹤誤差產生的崎變小于1 %,實現(xiàn)了接近于1的功率因數。ucc28019組成的pfc電 路，只調節(jié)一個放大器的補償網絡即可。首先，我們經過分析得出采用數字控制

5、方法的優(yōu)點是通過軟件調整控制參數，使 系統(tǒng)調試方便，減少了元器件的數量，減少材料和裝配的成本，而且可減小干擾。缺點 是軟件編程困難，采樣算法復雜，計算量人，難以達到很高的采樣頻率，此外還更注意 控制器和主電路的隔離和驅動。而采用模擬控制方法的優(yōu)點是，使用專用1c芯片，簡 單直接，無需軟件編程。缺點是電路調試麻煩，易受噪聲干擾。然后，我們考慮到本組 人員的知識和能力的有限，采用數字控制來實現(xiàn)很困難，且模擬pfc控制是當前的工業(yè) 選擇，技術成熟，成本低，使用方便。所以我們排除了對方案一的選用。最后，比較 方案二和方案三，發(fā)現(xiàn)方案三的設計步驟減少了兒步，相對來說簡單易行，而且實驗結 果證明該方案完全

6、達到題h的要求。綜上所述，選用方案三。系統(tǒng)控制原理框圖如圖1t所示。220v自耦18v整流4boost36v電阻交流輸入變壓器電路電路i k負載ucc： 8019pfc控制電路圖1-1 ucc28019控制系統(tǒng)框圖第二章系統(tǒng)綜合設計2.1系統(tǒng)總體流程軟件控制功率因數測量電路的工作，以及對輸出電壓、電流的實時采樣與顯示，還包 括在數字設定時通過計算后確定d/a轉換器輸出參考電壓。當檢測到輸出電流大于2. 5a 時，控制繼電器的關斷和電路的復位。其設計流程圖見附錄圖2.1所示。2. 2系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)的軟件設計采用stm32單片機進行編程，從而實現(xiàn)各模塊的功能，主程序主 要是控制電路的選擇、各參

7、數的檢測與控制。單片機所要處理的工作主要分為兩個部分, 其一：基本工作。包括lcd顯示，鍵盤掃描等；其二：核心處理工作。ads1286將值采 集到單片機后，單片機根據所采集到值分析判斷，將其轉換為模擬量送到液晶顯示模塊, 顯示功率因素等相關參數的值。軟件流程圖設計見附錄圖1所示。2. 3系統(tǒng)硬件設計2. 3.1總體設計根據設計要求，可確定系統(tǒng)主要構造為：主電路，控制電路，測量電路和保護電路 卩l(xiāng)|部分。其總體結構框圖見附錄2,從輸入的交流電壓220v開始，經過隔離變壓器降 壓成交流電壓18v后送入橋式整流電路進行整流，再經過高頻濾波電容后送給主電路， 主電路為boost電路，由pfc芯片ucc

8、28019控制開關管導通關斷，經過boost電路升 壓后電壓變?yōu)?6vo控制電路和測量電路包括pfc控制電路和單片機測量控制電路，pfc 控制電路由專用pfc芯片組成，單片機測量控制電路主要是輸出側通過電阻分壓并用ad進行采集送至單片機進行電壓測量顯示，同樣通過采集采樣電阻電壓進行屯流測量顯 示。保護電路由pfc芯片的過壓和過流保護，以及ad檢測輸出電流的大小，過流則關 斷單片機控制繼電器。系統(tǒng)總體電路圖見附錄3.木系統(tǒng)在假設變壓器副邊電壓“2為標準正弦波條件下，功率因數的計算公式為：pf ="昇2小0| =如 cos 琳=了 cos 琳u2i2 12''式中：2、厶

9、分別為變壓器副邊的電壓、電流有效值，4為厶中的基波分量，曲為“2和4 z間的相位差?？紤]到本題的特點，為計算簡單，可以用匕、l2 z間的相位羞0的余弦8s0作為功率因數。2. 4電路設計與計算 2. 4.1輸入電感參數的計算根據能量守恒定律5 x"pf = un。,可知輸入電流的有效值36x2.515x0.92x0.99=6.588a輸入電流的峰值iin-peak= 72x i.iirms =72x 6.588a = 9.315/1輸入紋波電流irip,)le = °?/如(nwo =0.2x9.315 = 1.86a紋波電壓 =°06屁加=0.06xv2x18

10、= 1.527v其中為電壓紋波系數通過電感的峰值電流5叫)ripplein _ peak (max)感值fl ripple65x1.86為了留取一定的裕量，故選擇感值imh,允許通過電流最大值為10a左右的電感。2. 4. 2輸出電容參數的計算該電容的選擇主要是滿足輸出電壓保持時間；當要求在保持時間smp二17 arcmin)內，開關電源輸出電壓不低于30v時，則輸出濾波電容容量按下式計算:out2pout( holdupout 一 v。嘰 holdup(min)2x90wx2128/s362-302> 9673實際我們選擇的濾波電容為：9400ufo2. 4.3整流橋的選擇通過整流橋屮

11、每個二極管的電流心宇二罟心5反向承受電壓為= v2(/, = a/2 x19v = 26.87v 我們選擇金屬封裝的整流橋kbpc1510，其正向 電流最大為15a,反向耐壓值為1000v,完全滿足要求。2. 5過流保護模塊過流保護是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內的過負 載輸出電流對電源和負載的損壞。所以當輸出電流為2.5a時，電路自動保護。鑒于此要 求，采用ucc28019芯片內部的封鎖功能，由單片機檢測過流并控制芯片引腳icomp的 電平，但考慮到這樣的封鎖對象僅僅限于ucc28019木身，電路的輸出電壓依然為整流 后的25v左右的電圧，依然可能存在大電流，對整個

12、系統(tǒng)有很大的潛在威脅。因此， 本系統(tǒng)在主電路屮加入繼電保護，當單片機檢測輸岀過流時，將發(fā)岀指令電平通過繼電 器來切斷主回路，達到保護負載的功能。經實際測試，當單片機再次檢測輸岀電流正常 時，釋放屯平，電路可重新恢復。第三章測試與調試3.1主電路調試整個主電路模塊比較清楚，有三部分：整流濾波電路，boost升壓斬波電路及控制 電路。當電路焊接好后，首先要做的就是檢查電路的連接狀況，看是否有短路的地方， 虛焊的地方或者是接錯了的地方，以及接地線是否都連接在一起了。然后測量輸入電壓 是否在預定的范圍內，因為前級的屯路是一個整流橋和一個電容濾波，輸岀屯壓通常是 輸入的0.91.2倍，具體電壓值與電容值

13、有關。3.2檢測電路調試檢測電路采用的都是很成熟的電路，所以調試沒有遇到高難度的問題，基本上是把 電路焊好，接線后就會有結果，只是要稍微的調節(jié)一些元件的參數，主要是電位器的值。但觀察輸入電流的波形，由于諧波較多，導致波形有點失真，通過加濾波電路后，電流 波形比較正常。3. 2.1軟件調試與破件相比，軟件的調試稍顯復雜，對輸出電壓采樣顯示來說，為了達到一定的精 度，很多參數都需要校準，將采樣值轉換為實際的電壓值時，其結杲與adc的參考電壓 及硬件電路的放人比率值有直接關系，雖然參考電壓的值在數據手冊已經給定了但實際 的參考電壓與數據手冊上有一定的差距，信號調理電路的放人比例也町以通過計算得到 但

14、元件的容差會使其不準確，而且這兩個量是獨立的沒有聯(lián)系，所以要在兩者之間權衡, 根據多次的調試校準，獲得和對準確的值。3. 2. 2實驗測試結果系統(tǒng)實驗測試結果見附錄4。結論測試的結果顯示，設計較好的完成了預期設計目標，功率因數高達95%以上，穩(wěn)定 性好，并且較好的完成了功率因數的檢測顯示。不設計屮系統(tǒng)要求的實現(xiàn)的一個很重要 的特點是釆用了雙閉環(huán)來捉高系統(tǒng)的性能，一是輸出電壓控制環(huán)，通過反饋網絡穩(wěn)定輸 出電壓；二是電流控制環(huán)，通過對輸入電流的檢測來實行電流波形優(yōu)化。通過這些功能 簡化了實際便件電路的設計，而且能達到很好的效果。另一個特點是采用了一種比較簡 單的方法實現(xiàn)了功率因數的檢測，即用硬件實

15、現(xiàn)波形的調理用軟件實現(xiàn)記時與計算，因 為采用了比較好的控制芯片，所以電壓與電流波形的失真比較小，采用這種方法在一定 的精度范圍內是合理的，并具有一定的精確度。參考文獻1 左學杰，鐘炎平，陳耀軍基于ucc28019的高功率因數電源設計，電源技術應 用,2009 o2 施保華，計算機控制技術m,武漢：華中科技大學出版社,2007o3 出一華，王曉華，魯俊環(huán).單和boost型apfc電路的設計及仿真研究j,佳木斯 大學學報：自然科學版，2008(6)o4 曲學基，王增福，曲敬鎧，穩(wěn)定電源實用電路選編m,北京：電了工業(yè)出版社, 2003 o5 高吉祥，全國大學生電子設計競賽培訓系列教程模擬電子線路設計

16、m,北京： 電子工業(yè)出版社，2007o附錄圖2.1系統(tǒng)流程圖pj圖2.2軟件設計圖圖231系統(tǒng)總體框圖序號項目與測試條件測試記錄1測量輸出rl=30qu2=16v測量值uo=35.8v電壓u2=18v測量值uo=35.8vu2=19v測量值uo=35.8vu2=18vrl=60q測量值uo=36vrl=30q測量值uo=35.8vrl=20q測量值uo=35.2v2功率因數u2=18v,rl=30q測量值u212相位差 <p=8°cos(p二0. 990圖3.2.1實驗測試結果ad采集部分程序：#include "adc.h"#include "d

17、elay.h'1初始化adc這甲我們僅以規(guī)則通道為例我們默認僅開啟通道1void adc_init(void)先初始化10 口rcc->apb2enri=1«2; 使能 porta 口時鐘 gpioa->crl&=oxffffffof;/pa1 anolog 輸入 通道10/11設置rcc->apb2enri=1«9;/adc 1 時鐘使能rcc->apb2rstri= i «9; /adc i 復位 rcc->apb2rstr&二 (lvv9); 復位結束 rcc>cfgr&=(3vvl4);

18、分頻兇子清零/sysclk/div2=12m adc時鐘設置為12m,adc最人時鐘不能超過14m!否則將導致adc準確度下降！rcc->cfgri=2«14;adc 1 ->cr 1 &二 0xf0ffff; 工作模式清零adc 1 ->cr 11=0« 16;獨立工作模式adc 1 ->cr 1 &=( 1 «8);非掃描模式adc 1 ->cr2&二(1 vv 1);單次轉換模式adc1->cr2&=(7vvl7);adc 1 ->cr2i=7« 17;軟件控制轉換adc1-

19、>cr2i=1«2o;使川用外部觸發(fā)(swstart)! 必須使用一個事件來觸發(fā)adc1->cr2&=(lvvll); /右對齊adc 1 ->sqr 1 &=-(0xf«20);adc1->sqr1 &=0«20;/i個轉換在規(guī)則序列中也就是只轉換規(guī)則序列1設置通道1的采樣時間adcl>smpr2&=(7vv3); 通道1采樣時間清空adc1->smpr2i=7«3;通道1239.5周期，捉高采樣時間可以提高精確度adc1->cr2i=1«o;開啟 ad 轉換器adc1

20、->cr2i=1«3;使能復位校準while(adc 1 ->cr2 & 1 «3); /等待校準結束該位市軟件設置并市硬件清除。在校準寄存器被初始化后該位將被清除。adc1->cr2i=1«2;開啟 ad 校準while(adcl->cr2 &1«2); 等待校準結束 該位由軟件設置以開始校準，并在校準結朿時由碩件清除獲得adc值ch:通道值016 返回值:轉換結果ul6 get_adc(u8 ch)設置轉換序列adc1>sqr3&=oxffffffeo;規(guī)則序列 1 通道 chadcl->s

21、qr3l=ch;adc1->cr2i=1«22;啟動規(guī)則轉換通道while(!(adc 1 ->s r&1«1);/ 等待轉換結束 return adc 1 ->dr;返回 adc 值獲取通道ch的轉換值，取times次，然后平均 ch:通道編號/times:獲取次數/返回值:通道ch的times次轉換結果平均值ul6 get_adc_average(u8 ch,u8 times)u32 temp_val=o;u8 t;for(t=0;t<times;t+)(tcmp_val+=gct_adc(ch); delay_ms(5);return

22、temp_val/times;測功率因數部分程序定時器5通道1輸入捕獲配置/an-：自動重裝值psc：時鐘預分頻數void tlm5_cap_init(u 16 arr,u 16 psc)rcc->apb1enri=1«3;/tim5 吋鐘使能rcc->apb2enri=1«2;使能 porta 吋鐘gpi oa->crl&=0xfffffff0;/pao 淸除z 前設置gpioa->crli=0x00000008; /pao 輸入gpioa->odri=0«0;/pao 下拉tim5->arr=arr;設定計數器自動重

23、裝值tim5->psc=psc;預分頻器tim5->ccmr1i=1«o; /cc1s=o1 選擇輸入端 ic1 映射 到ti1上tim5->ccmr 11=0«4; /ic1f=oooo 配置輸入濾波器 不濾 波tim5->ccmr ll=0«10; /ic2ps=00 配置輸入分頻，不分頻tim5->cceri=0«l;tim5->cceri=l«0;/cc1p=o 上升沿捕獲/cc1e=1 允許捕獲計數器的值到捕獲寄存器中允許捕獲中斷允許更新屮斷使能定時器2tim5->dieri=1«1;tim5->dieri=l«0;tim5->cr 11=0x01;my_nvic_init(2,0,tim5_irqchannel,2);/搶占 2,子優(yōu)先級 0,組捕獲狀態(tài)：0,沒有成功的捕獲;1,成功捕獲到一次.6:0,還沒捕獲到高電平;1,