单相AC-DC电路.doc

2013年广西大学生电子设计竞赛设计报告单相AC-DC变换电路（本科组）(A题)摘 要本设计电路以芯片UC3842，它是调整功率管工作于开关状态，DC/DC稳压反馈电路为系统，以开关电源控制器UC3842为核心，通过改变调整功率管导通和截止的时间比例来输出电压稳定。 系统特色：（1）输出电压反馈采用“同步采样”方式，能有效避免电压尖峰对信号检测的影响。（2）采用多种有效措施降低系统的电磁干扰（EMI），增强电磁兼容性（EMC）。（3）具有完善可靠的过流保护电路 。关键字：单相、功率因数、UC3842、AC/DCThis design circuit chip UC3842, adjust the power tube it works in the switch state, DC/DC voltage feedback circuit for the system, UC3842 switch power supply controller as the core, by changing the adjustment of power tube conduction and cut-off time proportional to the output voltage stability. System features: (1) the output voltage feedback adopts synchronous sampling method, can effectively avoid the voltage spike on the influence of signal detection. (2) use a variety of effective measures to reduce the electromagnetic interference (EMI) of system, strengthen the electromagnetic compatibility (EMC). (3) the over-current protection circuit with perfect and reliable. Key words: single phase, power factor, UC3842, AC/DC 目 录一、设计任务与要求41.1任务41.2基本要求41.3发挥部分41.4说明4二、方案比较5AC-DC变换器的方案论证与选择5三、系统总设计原理图6四、单元模块设计74.1 DC/DC升压模块74.2基于LM393和CD4013的功率测量模块84.3相位差的信息处理、控制电路84.4功率因素显示模块94.5过流保护模块9五、系统仿真调试10六、系统测试11七、设计总结 12附录1：13附录214一、设计任务与要求1.1任务设计并制作如图1 所示的单相AC-DC 变换电路。输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A。1.2基本要求（1）在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A 条件下，使输出直流电压Uo=36V0.1V。（2）当Us=24V，Io 在0.2A2.0A 范围内变化时，负载调整率SI 0.5%。（3）当Io=2A，Us 在20V30V 范围内变化时，电压调整率SU 0.5%。（4）设计并制作功率因数测量电路，实现AC-DC 变换电路输入侧功率因数的测量，测量误差绝对值不大于0.03。（5）具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A0.2A。1.3发挥部分（1）实现功率因数校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 条件下，使AC-DC 变换电路交流输入侧功率因数不低于0.98。（2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 条件下，使AC-DC 变换电路效率不低于95%。（3）能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围不小于0.801.00，稳态误差绝对值不大于0.03。（4）其他。1.4说明1.图1中的变压器由自耦变压器和隔离变压器构成。2.题中交流参数均为有效值，AC-DC电路效率，其中P0=U0I0，P0=USIS。 =3.本题定义：（1）负载调整率，其中Uo1为Io=0.2A时的直流输出电压，Uo2为Io=2.0A时的直流输出电压；（2）电压调整率，U01为Us=20V时的直流输出电压，Uo2为Us=30V时的直流输出电压。4.交流功率和功率因数测量可采用数字式电参数测量仪。5.辅助电源由220V工频供电，可购买电源模块（亦可自制），作为作品的组成部分。测试时，不再另行提供稳压电源。6.制作时须考虑测试方便，合理设置测试点，参考图1。二、方案比较AC-DC变换器的方案论证与选择方案一：先经过整流桥把AC变换为DC，再利用推挽式DC-DC变换器。推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器（有OTL、OCL等）。是两个参数相同的功率BJT 管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推挽式拓扑结构原理图如图1.2.1所示。图1.2.1 推挽式拓扑结构图方案二：Boost升压式DC-DC变换器。拓扑结构如图1.2.2 所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感储能后使电压泵升，而电容可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。图1.2.2 Boost电路方案三：DC/DC升压，稳压电源主要以芯片UC3842达到稳压，。经研究发现方案二与方案一的实验数据精度不能达到要求，再根据软件成本和实践的可行性决定选第三方案。三、系统总设计流程图本系统主要由AC/DC整流模块、DC/DC升压模块、电压电流调整模块、过流保护、功率因素测量模块、显示模块以及功率因素校正模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。隔离变压器自耦变压器功率因素校正电路过流保护电路AC-DC整流桥功率因素测量和显示电路UC3842DC-DC升压电路负载四、单元模块设计4.1 DC/DC升压模块电路原理：利用调整功率管UC3842工作于开关状态，通过改变调整功率管导通和截止的时间比例来稳定输出电压。下图为UC3842内部结构图。电路原理图:芯片选择：UC3842的特点:微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比.电流模式工作到500KHZ自动前馈补偿锁存脉宽调制，可逐周限流内部微调的参考电压，带欠压锁定大电流图腾柱输出欠压锁定，带滞后低启动和工作电流UC3842A 有16V（通）和10 伏（断）低压锁定门限，十分适合于离线变换器。UC3843A是专为低压应用设计的，低压锁定门限为8.5伏（通）和7.6V（断）。4.2基于LM393和74LS74的功率测量模块电路原理：该部分主要由双D触发器CD4013完成，经由D触发器74LS74 组成的0 360相位检测电后得到一组互补的相位信号,如下图所示,且输出的脉冲信号不受输入信号幅度的影响. 输出信号Q 的宽度反映了两信号U 和I 之间的相位差, 即的大小;+大小对大小对应于2,故有=2+，因此,只要测得,就可以计算出的值. 电路原理图：芯片选择：LM393、74LS74模块功能：实现相位测量，从而达到功率因素4.3相位差的信息处理、控制电路相位差的信息处理、控制电路的分析：该部分主要有核心控制器89C51及其外围电路构成，其功能是对数据进行处理算计功率因数。利用8051 单片机的T0 ,T1分别测出,将它们置于工作方1 (16 位定时器) ,门控位GATEo 和GATE1 置1. 当U过零变正时,由INT0 和INT1 控制计数器T0 ,T1 对,进行计时,通过检测INT0 端的状态来保证计数器与相位信号同步工作。为了提高检测精度,又不使计数器溢出,设置计数器连续对m 个周期中的,进行计数,并设计数器T0 的计数值为N ,计数器T1 的计数值为M ,则有 =2+=N 2/N + M ,从而求得功率因数cos 。 相位差的信息处理、控制电路原理图：4.4功率因素显示模块通过前面的功率因素测量模块和控制电路，用AT89S52单片机控制运算数据，在此用四位一体的共阳极数码管显示出功率因素的数值大小。数码管显示电路原理图：4.5 过流保护模块电路原理：通过对负载电流的采样并转换为电压信号，再与基准电压通过LM324进行比较，控制继电器的输入端，切断电路从而达到保护电路的作用。过流电路原理图：芯片选择：可控硅、继电器模块功能：当输出电流大于2.5A时，比较器取样进行比较，再将结果输出，给继电器一个触发的信号，切断电路，以此达到保护总体的电路。将UO稳定在36V，2A的状态下，待降至I=2.5A以下则恢复恒压输出。五、系统仿真调试本设计通过 protues仿真（电路仿真图如下）来模拟实物的效果，以验证所选定方案实施的可行性，再通过使用protel 99se画原理图和PCB板。电流、电压采样仿真原理图：功率因素显示仿真图：通过用protues的仿真来看，仿真结果还是比较理想的，但实际电路还要看作品的实际结果。六、系统测试通过对电路板的绘制和制作，再对作品进行测量，测试结果基本上能够满足设计要求的各项指标。实验数据：直流电压UoUsIoUo24.0V2.0A36.0V24V2.0A36.1V24.0V2.0A36.1V负载调整率U01U02SL36.0V36.2V0.5%36.1V36.0V0.2%36.2V36.1V0.3%电压调整率Uo1Uo2Su36.0V36.5V0.5%35.8V35.5V0.8%35.9V36.6V0.6%变换电路效率UoIoUsIsN36.1V2.0A24V3.4A88.5%36.2V1.9A22V3.2A90%35.9V2.2A28V3.6A88%通过以上实验数据可以看出，试验结果还是基本上满足要求的，但还是不能达到一些指标，这可能是因为（1）电路板元件的布局、焊接，以及各个元件的相互影响；（2）电路的总体不够稳定，对输出有一定的影响。（3）实际测量还是会存在一定的误差。 七、设计总结本设计系统经过多次测量，基本上满足设计要求所需的各项指标。在系统设计过程中，力求硬件线路简单明了，发挥软件功能，来满足系统设计要求。但因时间、知识的有限，该系统还有许多不足之处需要改进，比如电压精度不够，输出稳定性问题等等。在设计的过程中综合了所学的数字电路，模拟电路，单片机，C语言等，同时也应用到了Protel 99se软件画图和Protues软件仿真。在此过程中认识到了我们自己的知识面太狭小，同时认识到理论和实践的差别，通过实际制作更能了解到一些模块电路和芯片的功能。希望以后我们能有更大的进步。参考文献：1康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2006.012康华光.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社，2006.013王兆安、刘进军.电力电子技术.机械工业出版社，2009.054程国钢.51单片机典型模块开发.电子工业出版社，2012.05附录1：整个电路原理图：附录2：程序：#include#include#define _TH0_TL0_ 65536 - 64536/设置T0的初始值为1MS#define _TH1_TL1_ 65536 - 64536/设置T1的初始值为1MS#define PI=3.1415927unsigned char count1=0;unsigned char count2=0;unsigned char g4=0;/功率因数第四位unsigned char g3=0,g2=0,g1=0;/功率因数第一到三位float d=0 ;/功率因数角度弧度表示float i;/电压 和电流 之间的相位差, 即的大小，角度表示?char code dis110=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/0-9char code dis22=(0x40,0x79);/带小数点0、1sbit p22=P22;/位选sbit p23=P23;/位选sbit p21=P21;/位选sbit p20=P20;/位选/ 延时子程序 void delay(int ms) char k; while(ms-) for(k = 0; k 100; k+); /数据处理函数 void count () int g=0; i=(count1*2*180/(count1+count2); d=i*PI/180; g=cos(d); if(g=1) g4=0; g3=0; g2=0; g1=1; else g=(cos(d)*1000); g4=g%100%10; g3=g%100/10; g2=g/100;g1=0; /显示函数 void led() P2=0xf1;/显示4位 P0=dis1g4;/显示 delay(10);/延时 P2=0xf2;/显示3位 P0=dis1g3; delay(10); P2=0xf4; P0=dis1g2; delay(10); P2=0xf8; P0=dis2g1; delay(10); /主函数 void main() TMOD=0X99