[电子设计品] 高功率因数电源(改进版1)

1、高功率因数电源高功率因数电源pfcxx、xxx、xxx2011年7月、题目设计要求、题目设计要求（详细设计参考请参见（详细设计参考请参见1838面）面）n一、任务 n 设计并制作一台具有功率因数校正环节功率因数校正环节(pfc)的整流电源，要求输出直流电压uo为36v，最大负载电流为2a，负载为电阻性负载，其电路原理框图如图1所示。n二、要求 n1、基本要求、基本要求 n（1）当电压u2为(1519)v，负载电流io为(0.52)a时，要求输出电压uo稳定在36v，其误差的绝对值小于5% 。n（2）变压器副边电流i2的波形应为正弦波，失真度小于5% 。n（3）电路功率因数大于0.95（在变压器

2、副边测量）。n（4）输出电路具有过流保护功能(输出电流io达2.5a时自动保护)。n2、发挥部分、发挥部分 n（1）设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路，其测量误差绝对值小于2% 。 n（2）当u2电压为18v，负载电流为(0.52)a时，能对输出电压uo在(3036)v范围内设定，其测量误差的绝对值小于2% 。 n（3）设计制作功率因数测量电路，其测量误差的绝对值小于2% 。n（4）其他。n三、说明n1、至少使用2片ti芯片，推荐采用ti公司pfc控制芯片ucc28019。n2、功率因数说明：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：n n 式中：u2、i2分别为

3、变压器副边的电压、电流有效值，i21为i2中的基波分量, 1为u2和i21之间的相位差。考虑到本题电路的特点，为计算简单，可以用u2、i2之间相位差 的余弦 cos 作为功率因数。n3、在隔离变压器前用自耦变压器调整输入电压，用滑线变阻器模拟负载。n4、为测试方便，在制作电路时，留出u2、i2、uo、io的测试点。n5、调试时，要防止输出端开路或短路。n6、设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。2 21121112 22coscoscosu iiu ii、高功率因数电源产生的背景、高功率因数电源产生的背景n 传统

4、的ac-dc变换由交流电网经整流电路采用电容滤波获得直流电压，这种变换电路主要缺点有：n （a）、输入交流电压是正弦波，但输入的交流电流是脉冲电流，波形严重畸变，干扰电网电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰；n （b）、为了得到可调的直流电压，采用晶闸管可控整流电路，但脉动很大，需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压。n 此外交流电流中含有大量的谐波电流，使电网中电流波形严重畸变，电源的输入功率因数低，利用效率下降。、提高功率因数的措施、提高功率因数的措施n（1）、附加无源滤波器。n 在整流器和滤波电容之间接入一个滤波电感lz，增加输入端交流电流的导电宽度，减缓电流冲击，减小波形畸变，从

5、而减小电流的谐波成分。n（2）、有源pfc n 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：n (a)平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（ccm），该控制方式的优点有： （1）恒频控制。（2）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。（3）能抑制开关噪声。（4）输入电流波形失真小。 n （b)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。n (c)峰值电流型：工作频率

6、变化，电流不连续（dcm）。 n (d)电压控制型：工作频率固定，电流不连续。 、方案选取、方案选取n 无源功率因数校正电路一般最高只能达到0.9的功率因数，无法满足题目基本部分0.95的功率因数的要求，故我们选择有源pfc 。n 有源pfc 集成控制芯片有很多种，比如像uc3854、uc3855、ucc28019.由于ucc28019外围电路简单，调试方便，方案已经相当成熟，故我们采用该方案。、电路参数设计、电路参数设计ucc28019控制电路原理图boost主电路原理图n1.主回路器件的选择及参数计算：n主电路采用boost主电路结构；n交流220v输入，经过emi滤波，隔离变压器选择25

7、0w、18v输出的隔离变压器；nr1和r4电阻分压检测交流输入电压u2，nrs2取样电阻检测输入电流i20，阻值取0.1欧，输入电流接近7a；n整流桥采用15a金属封装的整流桥；nr2和r5电阻分压检测整流桥的输出电压；nrs3取样电阻检测电感中的流过的电流，阻值取0.04欧；nr3和r6分压检测输出电压；nrl1为电阻可变负载；nrs1取样电阻检测输出电流，阻值取0.05欧。n 开关管要求工作在65khz，在系统中取irfp460,最大反向电压可到500v，最大电流20a，导通电阻小，开关管上升时间为120ns.可满足题目要求。n d1二极管主要的功能是使系统快速启动，系统中采用fr307，

8、快恢复二极管d2取1个mur3060双管并联使用，需要加散热装置 。n2.pfc控制电路设计与参数计算：n 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器。ucc28019为持续传导模式的pfc控制器，锯齿波振荡频率为65k，输出方波最高占空比为97%，内带5v的电压基准，推挽式输出的驱动电压可达12.5v，电流达1.5a。具有电源输入软启动保护，以及反馈电压欠压，过压锁存，和峰值电流限制，此外还设有电压，电流反馈补偿端。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控制的电路设计如下图示： n 图 p

9、fc控制及主电路设计图n控制电路15v电压供电，图中r7和c7对输入电压值进行滤波，r7采用221欧的电阻，c7取1000pf，8是电流环的补偿电容，取值1200pf，c6输入电压采样后的滤波电容，取值0.68uf，c9，c10，r8为电压环的补偿环节，r8取值33.2k，c10取值3.3uf，c9取值0.22uf。整体电路具体参数如图中所示、有待改进的方面：、有待改进的方面：n1、输入交流电流波形毛刺很严重，如图所示：n2、输出负载电流io无法上到2an 我们是使用上届学长订做的由多股线绕制的500uh的电感，负载电流io达到1.7a时，电感发声就很严重，此时主电路工作不正常，输入交流电压、

10、交流电流的失真很严重。如图所示： 这很有可能是电感电流上不去，电感的额定电流太小了。如果减小流过电感的电流，或是增大电感的额定电流值，问题也许就得到解决。3、接线不规范、接线不规范n 使用杜邦线太多，造成系统不稳定因素很多，同时也引入了大量的电磁干扰，在以后设计电路的时候，要有意识的去规划好各模块电路，尽量方便接线、减少接线，避免引入不必要的电磁干扰。4、理论知识不足、理论知识不足n 这个也是目前存在的最严重的问题，这个问题在现在特别突出，这几次做的题目，我们几乎都是参考学长给的电路图，连电路的参数也是选择的一样的。但是如果说让我们把buck、boost、pfc控制的原理、思想方法讲清楚，恐怕

11、很难。这就存在一个理论空洞。n 我一直都有这样一种观点：芯片选取、实际采用的方法是会不断改变或是升级的，但是有些设计的基本思想、基础的理论、基本理念是不会改变的。基础扎实，才会不断有所创新。以后做题，在加快进度的同时，还要有意识的加强理论知识的培养，要知其然，也要知其所以然。、心得体会：、心得体会：n 转入做电源的题目后，思维方式与以前做仪器仪表时有很大的不同，电源的题目，主体电路一般就是固定的，我们只能一条道走到黑，但是它的参数（主要包括滤波电感l、输出电容c，输出反馈电阻网络rf）需要精心计算，每一步设计都要有理有据。特别是在调试电路的时候，思路一定要清晰，否则就很容易忽视一些最基本的问题

12、，而造成很严重的后果。 （a） 变压器副边的地与boost主电路的地就不能共在一起。变压器副边的地为浮地，流经其电流的方向是变化的，而boost主电路的地，流经其电流的方向是固定的。n 上面的这个电路，由于共地问题，我们就不能用一个示波器既测输入交流电压（或交流电流）的波形，同时又测量输出直流电压（或者g极驱动pwm）的波形。因为示波器两路通道的地在内部已经是连在一起的。n 而且在做测量电路的时候，如果不做任何处理，测电压、电流电路与测功率因数角的电路需要两个电源分别供电，数据处理需用两个单片机，或者将测量功率因数角的电路经光耦合隔离电路后再测量，这样就只需一个单片机。还可以采用差分输入运放，

13、这样也可以解决浮地的问题。n（b）pi调节典型应用电路： r1这个电阻在电路中是必不可少的。但是在我们应用的时候，却往往忽略了这一点。输出电压经分压电阻分压后再经电压跟随，我们想的是与前级电路隔离，但却不知跟随器的输出电阻为零，pi调节缺少p这一项，导致输出电压一直上升，工作不正常，有可能超过输出滤波电容的耐压值。n（c）加法器电路： 这个电路能够实现vfb=vf+vda吗？ 比较这个电路与刚才的加法电路，它们有什么区别？从vdd的值和万用表的仿真数据，我们已经得到答案！你看出来了吗？n（d）ina128低端采样电流的问题 注意ina128一定是在低端采样的。否则内部过压保护，输出就不正常。这个在负载滑动变阻器两端接线的时候注意一下就可以了。n 当时我们用ina128采得的交流输入电压的波形如图：nn 我想可能就是因为ina128内部过压保护作用或是输入共模电压受限造成的。如果换成差分输入运放，也许可以采样到正弦电压波形。n 转换后的直流输出电压经一级低通滤波，可以减少尖峰电流，这样使得测量值更接近仪表读数。、附录：、附录：n一、各测量与控制模块原理图n1、（电压、电流）相位测量电路2、继电器过流保护执行电路、继电器过流保护执行电路3、过电流检测与放大