2013年全国大学生电子设计竞赛A题报告

PAGE单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】2013年9月6日摘要结合大赛题目要求（见附录二），并且本着低成本高性能、结构简单、控制方便、直观显示等的设计思想，利用集成电路芯片ＴＬ４９４作为主控制芯片，通过引入输出反馈使该芯片进行自动调节输出电压，进而得到所需要的电压电流范围。此外在整流桥后加入功率因数矫正电路以完善电源的功能与性能，并通过在前级交流输入侧利用电压、电流互感器，设计出交流输入侧功率因数测量电路由单片机控制液晶显示屏进行显示，成功的设计出了一个符合大赛相关要求的高性能单相ＡＣ－ＤＣ变换电路。关键字：单片机TL494功率因数目录1系统方案论证 11.1控制方法的方案选择 11.2AC-DC主回路拓扑的方案选择 11.3控制方法方案的论证与选择 22系统理论分析与计算 22.1稳压稳流原理的分析 32.2TL494振荡频率的计算 33电路与程序设计 33.1电路的设计 33.1.1系统总体框图 33.1.2主回路原理图及器件选择分析 43.1.3电源 63.2程序的设计 63.2.1程序功能描述与设计思路 63.2.2程序流程图 64测试方案与测试结果 84.1测试方案 84.2测试条件与仪器 84.3测试结果及分析 84.3.1测试结果(数据) 84.3.2测试分析与结论 8附录1：题目要求 9附录2：TL494内部电路图………11附录3：源程序……………………13PAGEPAGE5单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】1系统方案论证1.1控制方法的方案选择方案一：采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。方案二：采用恒频脉宽调制控制器TL494，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1--300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。鉴于上面分析，选用方案二。1.2AC-DC主回路拓扑的方案选择AC-DC主回路拓扑是由一个整流桥和DC-DC变换电路组成的。DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案： 方案一：串联开关电路形式。开关管V1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。该电路属于降压型电路，达不到题目要求的30--36V的输出电压。（见图1）

图1

图2图3方案二：并联开关电路形式。并联开关电路原理与串联开关电路类似，但此电路为升压型电路，开关导通时电感储能，截止时电感能量输出。只要电感绕制合理，能达到题目要求，且输出电压Uo呈现连续平滑的特性。（见图2）方案三：串并联开关电路形式。实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂。（见图3）综上所述，选择方案二。1.3控制方法方案的论证与选择方案一：采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。方案二：采用恒频脉宽调制控制器TL494，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1--300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。鉴于上面分析，选用方案二。2系统理论分析与计算2.1稳压稳流原理的分析2.1.1鉴于ＴＬ４９４自带有反馈控制端，因此电路中采用电压采样然后输入到ＴＬ４９４的１管脚，与２管脚的设计电压相比较。当反馈电压大于２管脚电压的时候，４９４内部封锁信号输出端，待电压降低后再继续输出。对于电压较小时，则加大输出占空比，使电压逐步回升。对于电流，则需要先用小电阻将电流转换成电压经运放放大再输入到494的16管脚与15管脚的设计电压比较，原理同电压反馈相同。2.2TL494振荡频率的计算2.2.1f=1.1/（RC）其中R、C分别为5、6管脚所接的电压电阻。本电路中电阻为22K，电容为1000PF，算的振荡频率为50KHZ。2.3采样电阻的计算2.3.1稳压采样电阻，由于要求稳压输出为36V，而2管脚电压为5V，所以并联支路总电阻最少为采样电阻的7.2倍。本电路采用1K采样电阻，21K并联分支总电阻。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图4所示，开关管PWM波电压调节整流桥自耦变压器交流输入开关管PWM波电压调节整流桥自耦变压器交流输入输入侧功率因数测量填谷式功率因数校正负载电路输入侧功率因数测量填谷式功率因数校正负载电路单片机图４系统总体框图3.1.2主回路原理图及器件选择分析图５主回路原理图如图５所示，主回路电路主要由自耦可调变压器、整流桥、开关管驱动电路、过压保护、过流保护电路、ｐｃｆ功率因数矫正电路，输入侧功率因数测量电路等组成。以下将对上述电路各单位模块进行独立分析。１、自耦可调变压器与整流桥都是独立的集成模块，可在市场上直接买到，而且使用简单，原理明了，因此在这里不在祥述。２、电路主控制芯片选择ＴＬ４９４（详细资料见附录２），振荡频率与第５、６管脚所接的电容电阻有关。采用推挽输出的方式，将ＴＬ４９４第１３管脚接地，第８、１１、１２管脚接输入电压，第９、１０管脚并接向外输出控制信号。第１管脚引入采样的输出电压与２管脚构成比较器，第１６管脚接电流采样电路与１５管脚构成比较器，并将反馈信号输入到ＴＬ４９４内部进而控制第９、１０管脚的输出信号占空比最终调节负载上的电压，保持输出电压、电流的稳定。考虑到ＴＬ４９４的输出端并不能直接驱动ＭＯＳ管，因此在图５中通过图腾柱（如下图６所示）来驱动开关管进行动作。图６图腾柱驱动电路３、过压保护电路是通过在负载端并接一个由不同阻值电阻组成的电压采样电路。当反馈回到ＴＬ４９４的电压值大于５Ｖ时，ＴＬ４９４减小占空比，减小采样电阻上的电压值进而减小负载两端的电压值。当反馈回的电压值小于５Ｖ时反推即可。从而使输出电压稳定在所需要的电压大小范围。４、过流保护电路通过自身所带放大器将从负载支路中采得的反馈值输入到16管脚，再与15管脚相比较，后续原理同过压保护原理相同这里不再详述。５、ｐｃｆ功率因数矫正电路，功率因数的校正是一项非常复杂的工作，对于初学者而言是一种非常难以实现的电路。然而经过不断地查阅资料就会发现，原来功率率因数的矫正电路也是有相对简单的电路的，那就是填谷式功率因数矫正电路。该电路具有构成简单，器件少，成本低，实用性强等特点。不过这也是在牺牲一些效率的基础上实现的，正所谓有利就有弊，这也是难免的。具体电路图如下图８所示：６、输入侧功率因数测量电路，该电路的运算部分主要是由单片机来完成。首先先通过电压互感器与电流互感器将输入侧电路中的电压电流通过ＬＭ３５８构成的比较器以脉冲的形式输入到单片机中，电路图见下图９。然后由单片机进行计时精确测量出输入电压电流过零点的时间差Ｔ，而后由以下公式推出功率因数角

单片机完成以上运算后借由液晶显示屏将所测得的功率因数进行显示。3.1.3电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能根据题目要求软件部分主要实现运算与显示。2、程序设计利用单片机的外部中断以及计时器功能，当电压输入端口中断响应时计时器开始计时，当电流输入端口中断响应时计时器停止，测得计时时长经过相应的运算处理得到功率因数值，并显示在液晶显示屏上。3.2.2程序流程图1、主程序流程图外部中断信号输入外部中断信号输入单片机检测中断信号单片机检测中断信号外部中断０响应外部中断０响应计时开始计时开始外部中断１响应外部中断１响应计时结束计时结束如果计时达到１０次，输出结果如果计时达到１０次，输出结果4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试上电测试，利用购买的自耦式可调变压器按照要求输入交流２４Ｖ，接上负载，利用万用表检测输出端电压电流。并用单片显示功率因数。然后分别是输出达到极限值观察电路保护情况。2、软件仿真测试利用ｐｒｏｔｅｕｓ画出电路仿真图，进行电路的各项性能测试。３、硬软联调软件仿真结果与实测值进行比较，分析差异原因，找出改进方案。4.2测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.3测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)测试结果好下表所示：输入电压/v负载/欧姆输出电压/v输出电流/A24036.010245035.980.70241830.021.70201828.761.61301832.641.814.3.2测试分析与结论根据上述测试数据可以得出以下结论：1、电源基本功能能够得以实现，但效率偏低。2、负载调整率距题目要求还有一定的差距。综上所述，本设计基本达到设计基本要求。参考文献：1.模拟电子技术基础 华成英童诗白 主编2.开关电源使用电路 周志敏 周继海 纪爱华 主编3.开关电源设计 AbrahamI.Pressman 著附录1：比赛题目要求单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】一、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。RRL220VAC-DCIO变压器USIS~UO变换电路图1单相AC-DC变换电路原理框图二、要求基本要求（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=36V±0.1V。（2）当Us=24V，Io在0.2A～2.0A范围内变化时，负载调整率SI≤0.5%。（3）当Io=2A，Us在20V～30V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2.5A±0.2A。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0.80~1.00，稳态误差绝对值不大于0.03。（4）其他。附录2：TL494内部电路图TL494的极限参数名称代号极限值单位工作电压Vcc42V集电极输出电压Vc1,Vc242V集电极输出电流Ic1,Ic2500mA放大器输入电压范围VIR-0.3V—+42V功耗PD1000mW热阻RθJA80℃/W工作结温TJ125℃工作环境温度

TL494B

TL494C

TL494I

NCV494BTA

-40—+125

0—+70

-40—+85

-40—+125℃额定环境温度TA40℃附录3：源程序#include<reg52.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitP30=P3^0;sbitP31=P3^1;sbitRS=P2^5;//1602sbitRW=P2^6;sbitE=P2^7;uinti=0,j=0,m=0,n=0;uinta[6]={0,0,0,0,0,0};uints=0;floatcos(floatx);voidDelay(){_nop_();_nop_();}voidDelay_1ms(uchardel){ucharx=0,y=0; for(x=0;x<del;x++)for(y=0;y<148;y++){ }}voidBusy(void){bitbusy_flag=1;P0=0x80;RS=0;Delay();RW=1;Delay();E=1;Delay();while(1){busy_flag=(bit)(P0&0x80);if(busy_flag==0){break;}}E=0;}voidwcmd(uchardel)//写指令{RS=0;Delay();RW=0;Delay();E=0;Delay();P0=del;Delay();E=1;Delay();E=0;}voidwdata(uchardel)//写shuju{RS=1;Delay();RW=0;Delay();E=0;Delay();P0=del;Delay();E=1;Delay();E=0;}voidL1602_init(void)//初始化复位{Delay_1ms(15);wcmd(0x38);Delay_1ms(5);wcmd(0x38);Delay_1ms(5);wcmd(0x38);Busy();wcmd(0x38);Busy();wcmd(0x08);Busy();wcmd(0x01);Busy();wcmd(0x06);Busy();wcmd(0x0c);}voidL1602_char(ucharhang,ucharlie,ucharsign)//xianshizifu{ucharx=0;if(hang==1){x=0x80;}if(hang==2){x=0xc0;}x=x+lie;Busy();wcmd(x);Busy();wdata(sign);}voidL1602_string(ucharhang,ucharlie,uchar*p){ucharx=0;if(hang==1){x=0x80;}if(hang==2){x=0xc0;}x=x+lie;while(1){Busy();wcmd(x);Busy();wdata(*p);x++;p++;if((*p=='\0')||(x==0x90)||(x==0xd0)){break;}}} voidTime0_Init(void){ TMOD=0X01;TH0=0xFF; TL0=0xFF; ET0=1; EA=1; TR1=1;}voidTime0()interrupt1{TH0=0xFF; TL0=0xFF; i++;}/*voidTime1_init(void){TMOD=0X0