單相AC-DC變換電路

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽單相AC-DC變換電路洛陽理工學(xué)院2013/9/7 摘要對于能將24V交流變換為36V直流輸出的AC-DC電路，交流電整流濾波后再用UC3843 PWM控制芯片制作一個升壓電路將電壓升至36V,其中用到整流電路將輸入交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓,并能控制電路電壓的輸出,采用電磁繼電器設(shè)計的過流保護電路能很好的達到題目設(shè)計的要求.且較為可靠穩(wěn)定,用5822設(shè)計的整流橋作為輸入整流電路,可以滿足相應(yīng)的整流濾波.關(guān)鍵字:UC3843,Boost升壓電路，整流橋，5822AbstractThe 24Vcanbe transformedinto A

2、C-DC AC circuit 36VDCoutput, AC filter withUC3843 PWM control chip to produce avoltage booster circuit voltage up to 36V, which uses a rectifier circuit to the input AC voltage into DC voltage, output voltage&#

3、160;andcontrol circuit, the design of electromagnetic relay over-current protection circuit very good to achieve the design requirements.And more reliable and stable, with a bridge rectifier 5822 designas the input rectifier circu

4、it, rectifier and filter can meet the corresponding.Keywords: UC3843, Boost boost circuit, rectifier bridge, 5822 目錄1系統(tǒng)方案錯誤！未定義書簽。1.1 AC/DC變換電路的論證與選擇31.2 DC/DC 變換電路的論證與選擇.3 1.3控制系統(tǒng)的論證與選擇. 42系統(tǒng)理論分析與計算42.1 變換器效率指標(biāo)的分析42.1.1提高效率的方法42.1.2功率因數(shù)調(diào)整方法. 42.1.3 穩(wěn)壓控制方法與電路分

5、析72.2 Bost電路參數(shù)的計算82.2.1 電感值的計算82.2.2 電容值的計算82.2.3 MOS管型號的選擇92.3 控制電路設(shè)計與參數(shù)的計算92.3.1 脈寬調(diào)制芯片UC3843的電路設(shè)計92.3.2效率的分析與計算103電路與程序設(shè)計.。.10 3.1電路的設(shè)計113.1.1主回路與器件選擇.113.1.2控制電路113.2控制程序113.2.1程序功能描述與設(shè)計思路113.3.保護電路.11 4測試方案與測試結(jié)果124.1測試方案124.2 測試條件與儀器124.3 測試結(jié)果及分析134.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))134.3.2測試分析與結(jié)論145參考資料.14 附錄1：電路原理圖

6、14附錄2：源程序15 單相AC-DC變換電路（A題） 本科組1. 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由整流濾波，DC-DC升壓模塊， 過流保護模塊， 功率因數(shù)測量模塊組成。下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1AC/DC變換電路的論證與選擇方案一：交流電經(jīng)過整流電路后變?yōu)橹绷麟妷?，濾波后輸出直流電壓。系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)有DC/DC電路、PWM控制電路、保護電路等。 方案二：運用單片機控制程序來設(shè)計AC/DC變換電路，設(shè)計相應(yīng)程序和單片機相關(guān)電路以直接實現(xiàn)升壓和交流變直流的目的。常見的AC/DC變換電路通常用整流電路和DC/DC電路實現(xiàn)，選擇好相應(yīng)的電路方案此種方法較容易完成，雖然采用單片機的方法看似可靠方便但是控

7、制程序程序較難實現(xiàn)，而且單片機的工作電壓較低，端口較多接線繁雜，加上自身可利用的資源還是選擇了傳統(tǒng)的方法和思路，故綜上選擇方案一。1.2DC/DC變換電路的論證與選擇方案一：采用隔離變壓器進行DC/DC變換，單管它激式反激型直流變換器，但效率約為80%。方案二：采用Buck-Boost電路。該電路也可以實現(xiàn)升壓功能，但是他的應(yīng)用電路稍微復(fù)雜。方案三：采用Boost電路。Boost電路是一種主要的升壓型DC/DC變換拓撲，通過控制開關(guān)器件S的占空比來控制輸出電壓，其拓撲結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，輸出功率大，具有良好的輸出特性。如圖 1-1-3 圖1其他拓撲形式還有Cuk, Sepic, Zata等，這

8、些都可以實現(xiàn)升壓功能，但是在實際應(yīng)用中電路均比較復(fù)雜，控制困難，不便于短時間內(nèi)完成系統(tǒng)設(shè)計。 方案一可以實現(xiàn)題目要求，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本比較高。方案二電路比較復(fù)雜。方案三不僅滿足題目要求且相對方案一，結(jié)構(gòu)更為簡單，成本較低。 綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：運用函數(shù)發(fā)生器8038產(chǎn)生三角波，與MCU的ADC輸出進行比較，可得占空比可調(diào)的PWM波，MCU的ADC輸出來自于基于輸出電壓反饋的PI調(diào)節(jié)運算結(jié)果。輸出的PWM波經(jīng)過2103后驅(qū)動MOS管。該系統(tǒng)由于用軟件實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)，因此，要用到高速單片機，提高了系統(tǒng)成本和軟件編寫的難度。方案二：采用UC3843作為變

9、換電路的控制芯片。UC3843是一種峰值電流控制型脈寬調(diào)制芯片，價格低廉，廣泛應(yīng)用于電子信息設(shè)備的電源電路設(shè)計中。根據(jù)UC3843的功能特點，結(jié)合Boost電路拓撲結(jié)構(gòu)，完全可設(shè)計成電流控制型的升壓DC-DC電路。該電路外接元器件少，控制靈活，成本低，輸出功率容易做到100W以上，具有其他專用芯片難以實現(xiàn)的功能。另外，給定電壓的穩(wěn)定主要由硬件電路完成，實時性好，可靠性高，不需要用到高速單片機，也降低了軟件編寫的難度。方案一器件價格較貴，電路稍顯復(fù)雜，性價比不高。方案二器件少，外圍電路簡單，價格便宜，軟件編寫簡單，且輸出功率能滿足要求。綜合考慮采用方案二。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 變換器效率指

10、標(biāo)的分析2.1.1 提高效率的方法開關(guān)電源的功耗包括由半導(dǎo)體開關(guān)、磁性元件和布線等的寄生電阻所產(chǎn)生的固定損耗以及進行開關(guān)操作時的開關(guān)損耗。對于固定損耗，由于它主要取決于元件自身的特性，因此需要通過元件技術(shù)的改進來予以抑制?？梢圆捎靡韵聨追N方法降低損耗提高效率。 一：低功耗元器件的選取。系統(tǒng)總的損耗中還包括各種元件的功耗。只要在元件選取時注意采用低功耗器件，則這一部分損耗對系統(tǒng)效率的影響可以減小到最小。由于主回路控制器件MOS管工作時流過的電流比較大，所以選取導(dǎo)通電阻比較小的MOS管將有利于降低損耗。例如IRF540的導(dǎo)通電阻僅為0.044，在2A工作電流下僅產(chǎn)生0.16W的通態(tài)損耗。二：在低電

11、壓大電流的場合通過改善同步整流電路的方法來減少固定損耗。三：利用轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來減少固定損耗。2.1.2功率因數(shù)調(diào)整方法在電力調(diào)度、電力保護系統(tǒng)中，功率因數(shù)測量是一個重要問題，解決的方法，一般是使用脈沖電度表，另一種方法是直接進行測量，我們采取后者，直接測量的困難是角以測得，有功功率就無從計算。 本系統(tǒng)中設(shè)計的功率因數(shù)測量電路原理如下。從物理上講，角就是交流電路中電壓超前電度或電流超前電壓的角度，若能知道電流和電壓過零點的時間，就可知道角，我們設(shè)計了一種簡單電路，用于在交流電路的測量系統(tǒng)中，將正弦波變?yōu)榉讲ǎ缓蟀凑辗讲ǔ霈F(xiàn)的先后順序來算出角的大小。 圖2當(dāng)、為有相位差的正弦波時，經(jīng)比較器就

12、可以轉(zhuǎn)換為方波。在使用時，注意調(diào)整和的幅度，使LM33任一輸入端不低于-0.3v即可。圖2是電路輸出的實測波形。 圖3是電壓與電流的時間差，與測得的整個正弦波周期T相比，可得角=/T360角度頻率就是方波兩次正跳或者負跳變之間所用時間T的倒數(shù)。測量部分主體由信號處理部分、核心控制部分、顯示部分和按鍵部分這四部分組成。其中信號處理部分又包括電壓和電流的信號提取、濾波、整形和相位差的信息提取、處理電路。一旦整個電路被導(dǎo)通，電壓電流互感器把高電壓按比例關(guān)系變換成100V或更低等級的標(biāo)準二次電壓，通過比較器將信號整形為方波，通過方波觸發(fā)雙D觸發(fā)器，從而得到與相位差有對應(yīng)關(guān)系的Q和非Q的信息波形，將波形

13、送入單片機通過處理得到相位差的值和COS得值、并將其值顯示在數(shù)顯器上。 對于功率因數(shù)的調(diào)整：該部分主要是通過GLC電路中，改變電容的大小，從而得到不同的阻抗，并聯(lián)到電網(wǎng)中，是電網(wǎng)中的電流與電壓的相位關(guān)系發(fā)生相應(yīng)的改變，從得達到控制功率因數(shù)的目的。在本設(shè)計中，由于考慮到實際的一些問題，本設(shè)計中的控制部分只是達到顯示當(dāng)要求達到一定的功率因數(shù)值時所需要并入電網(wǎng)中的電容的大小。 接入電網(wǎng)中的示意電路圖如下： 圖4該部分主要用到電容，電阻，電感，四個電容之間是8421倍數(shù)關(guān)系，這樣就可以產(chǎn)生115單位量的電容。此處所用的器件因為要介入強電電網(wǎng)中，所以都應(yīng)該選擇耐壓值很高的大功率器件。由以上系統(tǒng)可以實現(xiàn)功

14、率因數(shù)的調(diào)整。2.1.3穩(wěn)壓控制方法與電路分析采用三段穩(wěn)壓集成電路IC芯片元器件LM7812，它適用于各種電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過流、過熱自動保護。將其運用在UC3843供電電路中具有電路簡單、性能穩(wěn)定等特點。穩(wěn)壓控制方法采用UC3843反饋控制的方法，簡單可靠且易于實現(xiàn)。 圖5將以上電路接到UC3843的2引腳即可實現(xiàn)穩(wěn)壓反饋。2.2 Boost電路參數(shù)的計算2.2.1 電感值計算 根據(jù)題目要求，Uo=36V,而輸入到直流母線上的電壓Uin=32V，取R=20歐姆，Ts=1/f，f=25KHZ，當(dāng)D取1/3時，由公式可求得：LRTs(1-D)/2由上式可知，要使系統(tǒng)電流工

15、作在連續(xù)狀態(tài)，電感值至少大于20uH本系統(tǒng)選擇的電感值為200uH，并且通過選用鐵芯使得電感在流過2A電流的時候鐵芯不飽和2.2.2電容值得計算電容的大小決定負載電壓的波動程度，因此負載的電壓波動可作為選擇電容的依據(jù)。在MOS管導(dǎo)通期間，導(dǎo)通時間為T，負載電流靠電容放電得以維持。設(shè)在整個MOS管導(dǎo)通期間內(nèi)電壓變化U，并假設(shè)負載電流I在此期間恒定，則電容電壓亦即負載電壓下降了 根據(jù)上式可確定電容的數(shù)值，U 與I 和 均有關(guān)，考慮在最嚴重的情況下仍能保證電壓的波動符合要求，電容的容量應(yīng)滿足 上式中，為輸出電流的最大值。通過估算，電容的取值為1000F。 2.2.3 MOS管型號的選擇正確選擇MOS

16、管是很重要的一個環(huán)節(jié)，MOS管選擇不好有可能影響到整個電路的效率和成本，為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOS管。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個MOS管接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOS管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOS管，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOS管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管，選擇MOS管的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計人員必須確保所選的MOS管能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況

17、是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOS管處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。選好額定電流后，還必須計算導(dǎo)通損耗。在實際情況下，MOS管并不是理想的器件，因為在導(dǎo)電過程中會有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOS管在“導(dǎo)通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越?。环粗甊DS(O

18、N)就會越高，故本系統(tǒng)中我們選擇了IRF540。2.3 控制電路設(shè)計與參數(shù)的計算2.3.1 脈寬調(diào)制芯片UC3843的電路設(shè)計 圖6 2.3.2效率的分析與計算在 Boost變換電路中，MOS管的開關(guān)損耗不可忽視。MOS管開通時的損耗主要包括：MOS管開通的時候開關(guān)兩端等效電容(包括輸出電容和緩沖電路電容 )放電形成容性開通損耗，以及 MOS管從截止到完全開通渡過放大區(qū)時形成的損耗。而 MOS管關(guān)斷時的損耗產(chǎn)生的原因多種多樣 ，但主要表現(xiàn)為：關(guān)斷過程電流下降的延遲和電壓的過快上升，從而形成電壓電流的交疊 ，產(chǎn)生很大的功率損耗。適當(dāng)降低的電路工作頻率可以降低MOS管的開關(guān)損耗，因此應(yīng)在允許的頻率

19、范圍內(nèi)選擇較低的頻率，可以提高系統(tǒng)效率。合適的開關(guān)頻率大致處于20KHz與60KHz之間，本系統(tǒng)選取開關(guān)頻率為25KHz。假設(shè)MOS管的開通和關(guān)斷的重疊時間相同，均為t，則一個開關(guān)周期內(nèi)MOS管的平均損耗為：其中Ts為開關(guān)周期，fs為開關(guān)頻率，Vs為MOS管關(guān)斷期間加在它兩端的電壓，Is為晶體管導(dǎo)通期間流過的電流。由上式可知，MOS管的開通關(guān)斷損耗與開關(guān)頻率成正比，適當(dāng)降低開關(guān)頻率有助于降低系統(tǒng)功耗。3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計 變壓器，整流濾波電路和保護電路共同構(gòu)成實現(xiàn)AC/DC的變換， Boost 升壓電路系統(tǒng)總體框圖如下 整流 AC DC 主控 取樣 單片機 保護 3.1.1主回路與

20、器件選擇 主回路采用UC3843電源電路外加變壓與整流濾波系統(tǒng)，主要器件選擇較為穩(wěn)定可靠的電源芯片UC3843，供電芯片7812，電磁繼電器作為保護模塊的主要實現(xiàn)器件，選用SRD-05VDC-SL-C。MOS管選擇IF540。3.12控制電路 由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供工作電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。3.2控制程序3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路采用單片機控制過流保護電路進行過流保護,程序較為簡單控制能很好地滿足要求.當(dāng)電路超過限制的最高電流時單片機控制電路進行切斷處理從而完成電路的過流保護.3.3保護電路方案一當(dāng)電路正常工作時，Tr1和Tr2均截止，555復(fù)位，55

21、5中的放電晶體管導(dǎo)通，它從Tr3基極吸取電流，使Tr3處開飽和，電源512V便直接送主負載。當(dāng)負載吸取電流超過規(guī)定值時，Rsc上壓降增加，使Tr1導(dǎo)通，555被觸發(fā)，于是內(nèi)部放電晶體管截止，跟著Tr3也截止，將電源與負載隔離，這時555處于單穩(wěn)狀態(tài)，單穩(wěn)時間一到，只要負載過流現(xiàn)象不排除，555又重新觸發(fā)，Tr3繼續(xù)將負載隔離。 若負載出現(xiàn)過壓，則經(jīng)R4、R5、D1后Tr2導(dǎo)通，也使555觸發(fā)，Tr3這時也將負載隔離。 當(dāng)電源供給電壓或負載吸取的電流太大時，上圖電路可斷開負載給出故障指示 圖7 方案二繼電器是一種電子控制器件，具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，運用于控制電路中設(shè)計過流保護電路能起到安全保

22、護的作用。 圖8方案一系統(tǒng)復(fù)雜，元件很多，不便與設(shè)計，方案二電路簡單可靠易于實現(xiàn)。故綜合考慮選擇方案二。4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試2、軟件仿真測試3、軟件硬件聯(lián)調(diào)4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：數(shù)字式電參數(shù)測量儀，高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))電流（A）0. 10.51.01.52.02.5電壓（V）36.336.336.336.236.1負載調(diào)整率測量輸入電壓（AC）20輸出電壓（DC）

23、電壓調(diào)整率測量4.3.2測試分析與結(jié)論電路的穩(wěn)定輸出非常不好調(diào)，為此我們自己繞制了許多電感，不斷調(diào)試最終得到了滿意的結(jié)果。5參考資料. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程高等教育出版社 開關(guān)穩(wěn)定電源設(shè)計與應(yīng)用中國電力出版社 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽技能訓(xùn)練北京航空航天大學(xué)出版社 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽硬件電路設(shè)計精解電子工業(yè)出版社附錄1：電路原理圖 升壓主電路 過流保護 顯示模塊附錄2：源程序#include <reg52.h> #include "i2c.h"#include "delay.h"#include "1602.h"#i

24、nclude <stdio.h>#define AddWr 0x90 /寫數(shù)據(jù)地址 #define AddRd 0x91 /讀數(shù)據(jù)地址sbit out=P10;extern bit ack;unsigned char ReadADC(unsigned char Chl);bit WriteDAC(unsigned char dat);/*- 主程序-*/main() unsigned char num=0; unsigned char temp7;/定義顯示區(qū)域臨時存儲數(shù)組 float Voltage; /定義浮點變量out=0; LCD_Init(); /初始化液晶 DelayMs(20); /延時有助于穩(wěn)定 LCD_Clear(); /清屏while (1) /主循環(huán) ReadADC(0); if(ReadADC(0)>6