单相AC-DC变换电路(A题)【本科组】王协平

1、 2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】参赛学校：江西科技师范大学参赛人员：王 协 平 张 紫 祥 张 超指导教师：曾 旺 辉2013年9月2日单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】摘要：高功率因数电源是提高电源输入端功率因数的高性能电源，应用日益广泛。本系统采用有源功率因数校正（APFC）方法，对BOOST主电路拓扑结构的升压电路的输入电流进行控制，使其达到与输入电压同频且相位差为0，功率因数接近于1，从而实现高功率因数电源。系统采用UCC28019作为控制器，提高了电源的功率因数，具有良好的电压调整率和负载调整率，输入电流波形失真度小于5%，功率因素大于

2、0.98，效率达到95.2%，且采用单片机对整个系统进行监测，可测量输出电压、输出电流、功率因数以及可实现输出电压自动设置等功能。系统在设计时从布局布线和滤波等方面消除电磁干扰，能够实现电压、电流、功率因数的测量及中文显示功能，界面友好美观。关键词：AC-DC转换；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 目录1方案设计与论证31.1总体方案设计与比较31.2 PFC控制方案选择51.2.1 PFC控制方案分析51.2.2方案选择52理论分析52.1 提高效率的方法52.2 功率因素调整方法52.3 稳压控制方法63电路参数设计及程序设计63.1主回路器件的选择及参数计算63.2 PFC控制电路及外围参数计算73.3检测与保护电路设计83.3.1输入电压、电流相位检测电路83.3.2输出电压、电流测量电路93.3.3输出过流保护电路93.4 数字设定及显示电路设计93.5 辅助电源及基准的设计103.6系统软件设计104测试方法与测试结果114

8、.1 测试仪器114.2 测试方法及测试结果115结论12参考文献12附件1：元器件明细表13附件2 ：电路图图纸14附件3：功率因数测试波形15附件4 : 主要源程序161方案设计与论证1.1总体方案设计与比较方案1：采用MCU或DSP通过编程控制完成系统的功率因数校正。MCU时刻检测输入电压、输入电流以及输出电压的值，在程序中过一定的算法后输出PWM控制信号，经过隔离和驱动控制开关管，从而提高输入端的功率因数。框图如图1所示。图1 MCU控制方案结构框图采用数字控制的优点是通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量。缺点是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采

9、样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。方案2：采用UCC28019控制功率因数校正采用专门的PCF电路能从根本上消除谐波源，其中UCC28019是一款8引脚的连续导电模式控制器，只需要外接少量元件就可做到PFC调整器。该器件具有较高的输入范围，可利用平均电流控制模式使输入电流波形畸变较低，使外围电路电路网络变得简单，它还具有输入欠压保护，输出过压保护，过流保护，软启动及过载保护等。但其电路调试麻烦。UCC28019控制功率因数校正电路图如图2所示。图 2 UCC28019控制功率因数校正电路图方案3：采用UC3854控制的功率因数校正当前应用最为广泛的PFC电路是升压式Boost电路

10、拓扑，一般情况下都采用电流连续型控制。美国Unitrode公司产生的UC3854N/ AN/BN系列是常用的控制芯片，利用它可以将PF提高到0.99以上，然而在实际中却常常存在一些问题，如输出电压飘升、尖端失真、功率管击穿等。UC3854控制的功率因数校正电路图如图2所示。图2 UC3854控制的功率因数校正电路图方案选定：通过以上比较，方案1采样频率达不到要求。方案2和方案3都能达到试题要求，但方案3的外围电路复杂，方案2外围电路比较简单，容易实现试题要求，且稳定性比方案3更好。所以我们选择了方案2。系统框图如图4所示。 图 4 系统总体方案框图1.2 PFC控制方案选择1.2.1 PFC控

11、制方案分析在开关电源中大容量的滤波电容是导致输入电流畸变引起功率因数降低的主要原因。使输入电流正弦化，并与输入电压同相位，可提高输入电源的功率因数，简称功率因数校正（PFC），PFC有两种控制方法。（1）无源PFC（也称被动式PFC）无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.70.8。（2）有源PFC（也称主动式PFC）有源功率因数校正简称APFC，主要控制输入电流呈正弦波变化，且与输入电压之间的相位差尽可能接近为0，即功率因数接近为1。按照输入电流的控制，有源功率因数校正有以下几种方法： 1)平均电流型：

12、工作频率固定，输入电流连续（CCM）。 2)滞后电流型：工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流。 3)峰值电流型：工作频率变化，电流不连续（DCM）。 4)电压控制型：工作频率固定，电流不连续。 1.2.2方案选择根据设计要求，本系统选用的是有源PFC平均电流型控制，该控制方式有以下优点：（a）恒频控制。（b）工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。（c）能抑制开关噪声。（d）输入电流波形失真小。2理论分析2.1 提高效率的方法(1)整流二极管及续流二极管用快恢复低消耗的肖特基二极管代替(2)开关管采

13、用电阻小，流过电流大的IRF064(3)采用UCC28019作为控制环路芯片2.2 功率因素调整方法在假设变压器副边电压U2为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为：式中：U2、I2分别为变压器副边的电压、电流有效值，I21为I2中的基波分量, j1为U2和I21之间的相位差，v称为谐波因子。考虑到本题电路的特点，谐波因子近似等于1。为计算简单，可以用U2、I2之间相位差 j 的余弦 cosj1 作为功率因数。（1）在单片内中内置一个算法程序，其输出的PWM波去控制开关管，使电感电流为正弦波，只要按算法改变PWM波的宽度就可以改变输入电流与输入压的相位差，即可以自动调整功率因素。详细见附录3。

14、（2）在电流环的外围设计一个移相电路，通过这个电路对输入电流进行移相，同时移相电路受单片机控制，通过程序就可以自动调整功率因素。（3）根据上述功率因数的计算式，也可以人为地改变谐波因子大小，从而改变功率因数。方法是在输入电容CIN回路中串入一个可调电阻，改变可调电阻的阻值就可以改变谐波分量，从而调整功率因数。2.3 稳压控制方法利用UCC28019的电压反馈电路进行稳压。3电路参数设计及程序设计3.1主回路器件的选择及参数计算由题可知，主电路采用Boost主电路结构，主电路如图5所示，交流220V输入，经过EMI滤波(电路中未画)，隔离变压器选择150W、24V输出的隔离变压器；R1为采样电阻

15、阻值为0.1欧，整流桥采用四个肖特基二极管搭成， R5取样电阻检测电感中的流过的电流。图5 主电路电路根据设计要求，输出电压，电流，输入电压最小值，输入电压最大值，设系统效率为0.95，功率因数为0.99。因此输入电流有效值为峰值电流为纹波电流为最大纹波电压为（1）输入滤波电容实际中用两个1uF的电容并联。（2）升压电感值电感电流峰值为， 取0.2mH.（3）开关管的选择电路工作频率为65KHz，故电感的参数为0.2mH，最大电流6A。开关管要求工作在65KHz，导通电阻要小。基于上述要求，本设计采用Vds=55V，Id=25A，Rds=8m的MOSEFT管IRF064.这完全满足设计要求。（

16、4）续流二极管的选择由于本电路采用BOOST拓扑结构，因此续流二极管的选择非常重要。在电路中受输出大电容的影响，续流二极管应满足最大整流电流大于12A，受储能电感及开关管的影响，续流二极管的反向恢复时间要尽量小。鉴于此要求，本设计采用肖特基二极管作为续流二极管，它的反向恢复时间完全达到设计要求，实际使用效果不错。（4）电感电流采样电阻实际采用康铜丝做采样电阻，阻值为0.05欧左右。（5）输出滤波电容实际取3个耐压为50V的2200uf电解电容并联，可有效降低电容的等效串联电阻。3.2 PFC控制电路及外围参数计算PFC控制电路采用TI公司的专用PFC芯片UCC28019，作为整个校正系统的控制

17、器。UCC28019为持续传导模式的PFC控制器，锯齿波振荡频率为65K，推挽式输出的驱动电压可达12.5V，电流达1.5A。校正后的功率因数可达0.99以上，特别适用于BOOST 升压电路，输入电压范围宽，输出功率大。FPC控制的电路图如图6所示。图6 FPC控制电路控制电路12V电压供电，图中R6和C5对输入电压值进行滤波，R6采用220欧的电阻，C7取1000pF，4是电流环的补偿电容，取值1000pF，C6输入电压采样后的滤波电容，取值0.47uF，C9、C10、R11为电压环的补偿环节，R8取值30K，C10取值10uF，C9取值0.47uF，R9、R12都为最大阻值200K的滑动变

18、阻器。3.3检测与保护电路设计3.3.1输入电压、电流相位检测电路对输入电压、电流进行采样，是为了计算两个信号之间的相位差，进而求得功率因素。首先采用LM311D对输入的电压信号和电流信号分别进行适当放大，放大之后各自通过LM311D构成的过零比较器变成方波信号，之后这两个方波又送入双D触发器74LS74从而得到输入电压、电流的相位差信号，最后通过电压跟随器送到单片机进行计算与处理，最终得到功率因数的测量值。与采用电压互感和电流互感检测电路相比，该方案电路制作简单，要求成本较低。相位差测量电路如图7所示。图7 输入电压、电流相位差测量电路3.3.2输出电压、电流测量电路输出电压Uo经电阻分压跟

19、随后送入STC12C5A60S2单片机进行处理，电流Io则通过在电路中串入由康铜丝制成的采样电阻Rs，采用12864中文液晶显示电压、电流值，清晰美观。输出电压、电流测量电路如图8所示。图8 输出电压、电流测量电路3.3.3输出过流保护电路本系统要求有过流保护功能，输出电流为2.5A时电路自动保护。鉴于此要求设计了三重输出过流保护。第一重：使用5A保险丝。第二重：单片机实时检测输出电流，并显示是否过流第三重：硬件检测，并指示是否过流。硬件过流保护电路图如图9所示。图 9 过流保护电路图3.4 数字设定及显示电路设计本系统采用LCD128164带字库的液晶显示器，支持串行和并行模式，我们采用并行

20、接口与MCU相连。显示电路图10如图所示。图10 显示电路图3.5 辅助电源及基准源设计辅助电源对整个系统的工作十分重要，本系统采用三端稳压芯片（LM7815、LM7805、LM7915和LM7905）设计。电路设计简单，三端稳压构成的线性电源纹波小，输出电压稳定，抗干扰能力强。辅助电源输出±15V, +12V,+5V。基准为+2.5V。有关电路图详见附录2所示。3.6系统软件设计系统软件设计分为两大部分，包括输出检测及显示；功率因数检测。设计流程如图11所示。图 11 软件设计的流程图4测试方法与测试结果4.1 测试仪器（150/3A）可调滑线变阻器，KP284电子负载，六位半数字

21、万用表，PF测量仪4.2 测试方法及测试结果 （1）在交流电压、输出直流电流条件下，输出的电源电压为标准的36V。 （2）负载调整率测试负载采用KP284电子负载，待系统进入额定状态（输入电压保持恒定18V不变）时，调节电子负载，改变输出电流，用六位半数字万用表监测输出负载电压。具体数据如表1所示。表1 负载调整率测试数据测试次数1234输出电流（A）0.21.01.52.0输出电压（V）36.136.0536.0236.0由上表可根据以下公式求得负载调整率：（3）电压调整率测试采用KP284电子负载作负载，待系统进入额定状态（输出电流为2A）时，改变输入电压，用五位半数字万用表监测输出负载电

22、压。记录电压数据如表2所示。表2 电压调整率测试数据测试次数12345输入电压2023252730输出电压35.9635.9936.0136.0336.05根据相关公式可计算出电压调整率（4）功率因数测量电路误差测试负载采用KP284电子负载作负载，使系统达到额定状态，输入电压和电流均为正弦波。用数字式单相电参数测量仪和单片机测量电路分别测量交流输入侧功率因数。记录功率因数测试数据如表3所示。表3 功率因数测量电路误差测试数据测试次数1234单相电参数测量仪显示功率因数0.9850.9840.9860.985单片机测量电路显示功率因数0.9870.9850.9870.986功率因数测量误差0.

23、0020.0010.0010.001（5）过流保护动作电流测试用KP284电子负载作负载，设定电流为2.0A，不断调节电子负载的输入电流，直至电路启动过流保护。记录最大电流数据如表4所示。表4 过流保护电流测试数据测试次数123最大电流（A）2.552.552.55（6）交流输入侧功率因数测试在，条件下，AC-DC电路交流输入侧功率因数测试结果见表3所示，其平均值为0.985。（7）AC-DC 变换电路效率测试在，条件下，电路效率为95.2%.。（8）功率因数调整测试功率因数调整范围在0.820.95之间。5结论经测试该电路能有效的提高电源的效率，电路工作时，交流电经桥式整流后并不能得到很平滑

24、的波形，仍存在一定的误差。而UCC28019内部工作原理是：电流调节为平均电流采样模式，跟踪电压波形的电流波形经滤波放大后与三角波比较，所以整流后失真电压波形引起纹波误差，这个误差将导致输出PWM波误差。若芯片在设计上能将此误差考虑在内，设计效果会更佳。参考文献1 郭天祥，51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2009，12 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.北京：电子工业出版社，2012，63 臧铁钢,唐才峰,陈学锋.ProtelDXP电路设计与应用.北京:中国铁道出版社，2005,54 康华光,陈大钦,张林.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社，2012，35 周志敏，周纪海

25、，纪爱华.开关电源功率因数校正电路设计与应用.北京：人民邮电出版社，2004，116 【美】Sanjaya Maniktala著 王志强 等译 ，精通开关电源设计. 北京：人民邮电出版社，2008,10附件1：元器件明细表器件名称型号数量电阻010K17电阻11K2电阻22K2电阻320K2电阻41M1电阻51001电阻62201电阻70.12电阻80.051滑动变阻器0200K2滑动变阻器050K2电容02200uF4电容11000uF3电容2220uF4电容347uF8电容410uF5电容51uF3电容60.47uF1电容70.1uF6电容80.01uF9电容91000pF2电感100mH

26、1肖特基二极管STC20L45CT6二极管40078光耦Tlp2501有源晶振1开关转换继电器基准电压源TL4311稳压芯片LM7805、LM7905，LM7815、LM7915各2，各1功放芯片IRF0641液晶显示LEDLCD128641APFC控制芯片UCC280191MCUSTC12C5A60S21运放TL082，OP07，LM393，LM358各1变压器2插件若干发光二极管6附件2 ：电路图图纸附件3：功率因数测试波形附件4 : 主要源程序/头文件/#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);/子函数/*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辅助功能控制寄存器/*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驱动程序*/#include "HEAD.H"/*J12864中文控制端定义*/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写命令rs=0; rw=0;e=0; P0=cmd;e=1; delayms(10); /此处的延时长短可以决定显示不是显示e=0; void writedat(uchar dat) /J12864写数据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位数据，基本指令操作writecmd(0x01);delayms(5); /清除J12864的显示内容writecmd(0x0c);delayms(5); /显示开、关光标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