单相AC-DC变换电路设计报告

单相AC-DC变换电路设计报告摘要：有源功率因数校正(ActivePowerFactorCorrection,简称APFC)技术因能提高电力电子装置网侧功率因数,降低线路损耗,节约能源,减少电网谐波污染,提高电网供电质量等优点,在许多行业中得到广泛的应用。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接近于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作为控制芯片，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1%，功率因素大于0.98，效率接近于93.9%，且采用MCU对整个系统进行监测，可测量输出功率、功率因数以及可设置输出电压等功能。系统在设计时从布局布线和滤波等方面消除电磁干扰，能够实现输出电压、电流、功率因数的测量及中文显示功能。关键词：APFC；AC-DC转换；UCC28019；BOOST电路Abstract:Activepowerfactorcorrection（APFC）technologyforincreasingpowerelectronicdevicepowerfactor,decreaselineloss,saveenergy,reduceharmonicpollution,improvingthequalityofpowersupplyandotheradvantages,iswidelyappliedinmanyindustries.Thissystemusestheactivepowerfactorcorrection(APFC)method,tocontroltheinputcurrentboostcircuitofmaincircuittopologyofBOOST,enablesittoachievethesamefrequencyandphasewiththeinputvoltagedifferenceiscloseto0,powerfactoriscloseto1,inordertoachievehighpowerfactorpower.ThesystemadoptsUCC28019asthecontrolchip,andimprovethepowerfactorofpowersupply,withgoodvoltageregulationandloadregulation,theinputcurrentwaveformdistortionislessthan1%,powerfactorgreaterthan0.98,theefficiencyiscloseto93.9%,andtheuseofMCUtomonitorthewholesystem,capableofmeasuringtheoutputpower,powerfactorandcansettheoutputvoltageandotherfunctions.Systemdesignfromthelayoutandfilteringtoeliminateelectromagneticinterference,canrealizethemeasurementandChineseoutputvoltage,current,powerfactordisplayfunction.Keyword：APFC,AC-DCconversion,UCC28019,boostcircuit.TOC\o"1-3"\h\u51751.方案设计与论证 2107191.1总体方案设计与比较 2220791.2PFC控制方法分析及实现方案 4209281.2.1PFC控制方法分析 4172271.2.2实现方案 5206592.理论分析 561032.1提高效率的方法 5297012.2功率因素调整方法 529682.3稳压控制方法 5158003.电路设计与计算及程序设计 613443.1主回路器件的选择及参数计算 6316433.2PFC控制电路外围参数计算 7157793.3输出设定电路的设计 893273.3.1输出过流保护电路的设计 8217133.3.2数字设定及显示电路设计 848793.3.3外加电源及基准的设计 8125653.4软件设计 9143194.测试方法与测试结果 9325225.结论 1123405附录一：参考文献 118986附录二：总电路图 128133附录三：程序 1312318附录四：元器件清单 1710163附录五：电路测试波形 181.方案设计与论证1.1总体方案设计与比较方案1：采用UC3854控制的功率因数校正该方案采用当前应用最为广泛的升压式Boost电路拓扑，一般情况下都采用电流连续型控制。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如输出电压飘升、尖端失真`功率管击穿等问题。UC3854控制的功率因数校正电路图如图1所示。图1：UC3854控制的功率因数校正电路图方案2：采用通过MCU或DSP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2所示。图2：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，难以达到很高的采样频率，还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。方案3：采用UCC28019控制功率因数校正，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。采用专门的PCF电路能从根本上消除谐波源。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3所示。图3：UCC28019控制功率因数校正电路图方案选定：对以上方案比较，方案2采样频率达不到要求。方案1和方案3都能达到试题要求，但方案3外围电路比较简单，容易实现试题要求，且稳定性比方案1更好。所以我们选择方案3.系统框图如图4所示。图4：系统总体方案框架图1.2PFC控制方法分析及实现方案1.2.1PFC控制方法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0.7～0.8。（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：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实现方案本系统选用的是有源平均电流型控制，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\*ROMANI整流二极及续流二极管用快恢复低消耗的肖特基二极管代替=2\*ROMANII开关管采用电阻小，流过电流大的IRF064=3\*ROMANIII采用UCC28019作为控制环路芯片IV采用小的取样电阻2.2功率因素调整方法主电路的输出直流电压信号Vo和基准电压Vr比较后，送入电压误差放大器VEA，得到VCOMP引脚电压该电压决定了GMI网络的增益和PWM比较器的参考三角波的斜率。输入电流经采样电阻转化为电压信号，电压信号经放大器放大送入GMI网络以实现输入平均电流的采样，得到的信号与三角波进行比较得到特定占空比的PWM波。特定占空比的PWM波保持输出电压稳定2.3稳压控制方法利用UCC28019的电压反馈电路进行稳压电路3.电路设计与计算及程序设计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，隔离变压器选择150W、24V输出的隔离变压器；R1为采样电阻阻值为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：主电路电路图根据设计要求：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）升压电感值电感峰值电流为，，取0.2mH.（2）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=8mΩ的MOSEFT管IRF064.这完全满足设计要求。（3）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，最大反向电压大于72V，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0.08Ω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。3.2PFC控制电路外围参数计算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控制的电路图如图6所示。图6：PFC控制的电路图控制电路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，Ｃ4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的滑动变阻器。3.3输出设定电路的设计3.3.1输出过流保护电路的设计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。鉴于此要求采UCC28019芯片内部的封锁功能，电流经过采样，放大比较后经UCC28019的VINS（引脚4）检测是否大于2.5A。过流保护电路图如图7。图7：过流保护电路图如图63.3.2数字设定及显示电路设计本系统采用JHD529m1LCD128164带字库的液晶显示器，支持串行和并行模式，我们采用并行模式与MCU相连。显示电路图如图所示。图8：显示电路图3.3.3外加电源及基准的设计外加电源提供给APFC因素监测电路以及单片机控制电路，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。外加电源输出±15V,+12V,+5V。基准为+2.5V。有关电路图详见附录一。3.4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9所示。程序见附录二图9：软件设计的流程图4.测试方法与测试结果4.1测试仪器：（50Ω/2A）可调滑线变阻器，五位半数字万用表，数字式单相电参数测量仪4.2测试方法及测试结果：4.2.1负载调整率测试负载采用200Ω/3A可调滑线变阻器，待系统进入额定状态（输入电压保持恒定24V不变）时，调节滑线变阻器，改变输出电流，用UT39A数字万用表监测输出负载电压。具体数据如表1所示。测试次数1234输出电流（A）0.21.01.52.0输出电压（V）36.0035.9435.9235.89表1：负载调整率测试表由上表可根据以下公式求得负载调整率：=0.0034.2.2电压调整率测试采用50Ω/2A可调滑线变阻器作负载，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压。记录电压数据如表2所示。测试次数12345输入电压2023252730输出电压35.9235.9636.0036.0136.04表2：电压调整率测试表根据相关公式可计算出电压调整率4.2.3输入功率因数测试负载采用50Ω/2A可调滑线变阻器，使系统达到额定状态，用数字式单相电参数测量仪测功率功率因数。记录因数测试数据如表3所示。测试次数1234测量仪显示功率因数0.9870.9920.9960.981液晶显示功率因数0.9710.9820.9890.990表3：输入功率因数测试4.3元器件清单见附录三。5.结论经测试该电路能有效的提高电源的效率，但由于在电路工作时，交流电经桥式整流后并不能得到很平滑的波形，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。附录一:参考文献[1]谭浩强.C程序设计/谭浩强著.-3版.-北京：清华大学出版社，2005（2007重印）[2]谢维成，杨家国.单片机原理与应用及c51程序设计.清华大学出版社，2009.7：[3]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，2005,5[4]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，2012，3[5]周志敏，周纪海，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，2004，11[6]【美】SanjayaManiktala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[7]郭天祥，51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2009，1附录二:总电路图附录三：程序JHD529m1.c#include<head.h>voidlcd_busy() //忙检测{RS=0;RW=1;E=1;Lcd_Bus=0xff;while((Lcd_Bus&0x80)==0x80);E=0;}voiddelay(uchart) //延时子程序{ucharx;while(t--)for(x=0;x<120;x++);}voidwrite_com(ucharcmd) //写命令到LCD{lcd_busy();RS=0;RW=0;E=1;Lcd_Bus=cmd;delay(5);E=0;delay(5);}voidwrite_data(ucharDispdata) //写数据到LCD{lcd_busy();RS=1;RW=0;E=1;Lcd_Bus=Dispdata;delay(5);E=0;delay(5);}voidlcdreset() //初始化LCD屏{write_com(0x30);delay(10);//选择基本指令集write_com(0x30);//选择8bit数据流delay(5);write_com(0x0c);//开显示(无游标、不反白)delay(10);write_com(0x01);//清除显示，并且设定地址指针为00Hdelay(10);write_com(0x06);//指定在资料的读取及写入时，设定游标的移动方向及指定显示的移位}voidhzkdis(ucharx,uchary,uchar*s)//显示字符串,x从0到7，可显示8个汉字或16个字符{ucharpos;if(y==0)pos=0x80+x;if(y==1)pos=0x90+x;if(y==2)pos=0x88+x;if(y==3)pos=0x98+x;write_com(pos);while(*s!='\0'){write_data(*s);s++