單相AC-DC變換電路設計報告

單相AC-DC變換電路設計報告摘要：有源功率因數(shù)校正(ActivePowerFactorCorrection,簡稱APFC)技術因能提高電力電子裝置網側功率因數(shù),降低線路損耗,節(jié)約能源,減少電網諧波污染,提高電網供電質量等優(yōu)點,在許多行業(yè)中得到廣泛的應用。本系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正（APFC）方法，對BOOST主電路拓撲結構的升壓電路的輸入電流進行控制，使其達到與輸入電壓同頻且相位差接近于0，功率因數(shù)接近于1，從而實現(xiàn)高功率因數(shù)電源。系統(tǒng)采用UCC28019作為控制芯片，提高了電源的功率因數(shù)，具有良好的電壓調整率和負載調整率，輸入電流波形失真度小于1%，功率因素大于0.98，效率接近于93.9%，且采用MCU對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測，可測量輸出功率、功率因數(shù)以及可設置輸出電壓等功能。系統(tǒng)在設計時從布局布線和濾波等方面消除電磁干擾，能夠實現(xiàn)輸出電壓、電流、功率因數(shù)的測量及中文顯示功能。關鍵詞：APFC；AC-DC轉換；UCC28019；BOOST電路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.方案設計與論證 2107191.1總體方案設計與比較 2220791.2PFC控制方法分析及實現(xiàn)方案 4209281.2.1PFC控制方法分析 4172271.2.2實現(xiàn)方案 5206592.理論分析 561032.1提高效率的方法 5297012.2功率因素調整方法 529682.3穩(wěn)壓控制方法 5158003.電路設計與計算及程序設計 613443.1主回路器件的選擇及參數(shù)計算 6316433.2PFC控制電路外圍參數(shù)計算 7157793.3輸出設定電路的設計 893273.3.1輸出過流保護電路的設計 8217133.3.2數(shù)字設定及顯示電路設計 848793.3.3外加電源及基準的設計 8125653.4軟件設計 9143194.測試方法與測試結果 9325225.結論 1123405附錄一：參考文獻 118986附錄二：總電路圖 128133附錄三：程序 1312318附錄四：元器件清單 1710163附錄五：電路測試波形 181.方案設計與論證1.1總體方案設計與比較方案1：采用UC3854控制的功率因數(shù)校正該方案采用當前應用最為廣泛的升壓式Boost電路拓撲，一般情況下都采用電流連續(xù)型控制。UC3854N/AN/BN系列是常用的控制芯片，利用它可以將PF提高到0.99以上，然而在實際中卻常常存在如輸出電壓飄升、尖端失真`功率管擊穿等問題。UC3854控制的功率因數(shù)校正電路圖如圖1所示。圖1：UC3854控制的功率因數(shù)校正電路圖方案2：采用通過MCU或DSP編程控制完成系統(tǒng)的功率因數(shù)校正。MCU時刻檢測輸入電壓、輸入電流以及輸出電壓的值，在程序中過一定的算法后輸出PWM控制信號，經過隔離和驅動控制開關管，從而提高輸入端的功率因數(shù)?？驁D如圖2所示。圖2：MCU控制方案結構框圖采用數(shù)字控制的優(yōu)點是通過軟件調整控制參數(shù)，使系統(tǒng)調試方便，減少了元器件的數(shù)量。缺點是軟件編程困難，采樣算法復雜，計算量大，難以達到很高的采樣頻率，還要注意控制器和主電路的隔離和驅動。方案3：采用UCC28019控制功率因數(shù)校正，UCC28019是一款8引腳的連續(xù)導電模式控制器，只需要外接少量元件就可做到PFC調整器。采用專門的PCF電路能從根本上消除諧波源。該器件具有較高的輸入范圍，可利用平均電流控制模式使輸入電流波形畸變較低，使外圍電路電路網絡變得簡單，它還具有輸入欠壓保護，輸出過壓保護，過流保護，軟啟動及過載保護等。但其電路調試麻煩。UCC28019控制功率因數(shù)校正電路圖如圖3所示。圖3：UCC28019控制功率因數(shù)校正電路圖方案選定：對以上方案比較，方案2采樣頻率達不到要求。方案1和方案3都能達到試題要求，但方案3外圍電路比較簡單，容易實現(xiàn)試題要求，且穩(wěn)定性比方案1更好。所以我們選擇方案3.系統(tǒng)框圖如圖4所示。圖4：系統(tǒng)總體方案框架圖1.2PFC控制方法分析及實現(xiàn)方案1.2.1PFC控制方法分析在開關電源中大容量的濾波電容是導致輸入電流畸變引起功率因數(shù)降低的主要原因。使輸入電流正弦化，并與輸入電壓同相位，可提高輸入電源的功率因數(shù)，簡稱功率因數(shù)校正（PFC），PFC有兩種控制方法。（1）無源PFC（也稱被動式PFC）無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達到0.7～0.8。（2）有源PFC（也稱主動式PFC）有源功率因數(shù)校正簡稱APFC，主要控制輸入電流呈正弦波變化，且與輸入電壓之間的相位差盡可能接近為0，即功率因數(shù)接近為1。按照輸入電流的控制，有源功率因數(shù)校正有以下幾種方法：1)平均電流型：工作頻率固定，輸入電流連續(xù)（CCM）。2)滯后電流型：工作頻率可變，電流達到滯后帶內發(fā)生功率開關通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流。3)峰值電流型：工作頻率變化，電流不連續(xù)（DCM）。4)電壓控制型：工作頻率固定，電流不連續(xù)。1.2.2實現(xiàn)方案本系統(tǒng)選用的是有源平均電流型控制，該控制方式有以下優(yōu)點：（a）恒頻控制。（b）工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積小。（c）能抑制開關噪聲。（d）輸入電流波形失真小。2.理論分析2.1提高效率的方法=1\*ROMANI整流二極及續(xù)流二極管用快恢復低消耗的肖特基二極管代替=2\*ROMANII開關管采用電阻小，流過電流大的IRF064=3\*ROMANIII采用UCC28019作為控制環(huán)路芯片IV采用小的取樣電阻2.2功率因素調整方法主電路的輸出直流電壓信號Vo和基準電壓Vr比較后，送入電壓誤差放大器VEA，得到VCOMP引腳電壓該電壓決定了GMI網絡的增益和PWM比較器的參考三角波的斜率。輸入電流經采樣電阻轉化為電壓信號，電壓信號經放大器放大送入GMI網絡以實現(xiàn)輸入平均電流的采樣，得到的信號與三角波進行比較得到特定占空比的PWM波。特定占空比的PWM波保持輸出電壓穩(wěn)定2.3穩(wěn)壓控制方法利用UCC28019的電壓反饋電路進行穩(wěn)壓電路3.電路設計與計算及程序設計3.1主回路器件的選擇及參數(shù)計算由題可知，主電路采用Boost主電路結構，主電路如圖5所示，交流220V輸入，經過EMI濾波，隔離變壓器選擇150W、24V輸出的隔離變壓器；R1為采樣電阻阻值為0.1歐，整流橋采用四個肖特基二極管搭成，R5取樣電阻檢測電感中的流過的電流。圖5：主電路電路圖根據設計要求：輸出電壓，電流，輸入電壓最小值，輸入電壓最大值，設系統(tǒng)效率為0.95，功率因數(shù)為0.99。因此輸入電流有效值為峰值電流為紋波電流為最大紋波電壓為（1）升壓電感值電感峰值電流為，，取0.2mH.（2）開關管的選擇電路工作頻率為65KHz，故電感的參數(shù)為0.2mH，最大電流6A。開關管要求工作在65KHz，導通電阻要小?；谏鲜鲆?，本設計采用Vds=55V,Id=25A,Rds=8mΩ的MOSEFT管IRF064.這完全滿足設計要求。（3）續(xù)流二極管的選擇由于本電路采用BOOST拓撲結構，因此續(xù)流二極管的選擇非常重要。在電路中受輸出大電容的影響，續(xù)流二極管應滿足最大整流電流大于12A，最大反向電壓大于72V，受儲能電感及開關管的影響，續(xù)流二極管的反向恢復時間要盡量小。鑒于此要求，本設計采用肖特基二極管作為續(xù)流二極管，它的反向恢復時間完全達到設計要求，實際使用效果不錯。（4）電感電流采樣電阻實際采用康銅絲做采樣電阻，阻值為0.08Ω歐左右。（5）輸出濾波電容實際取3個耐壓為50V的2200uf電解電容并聯(lián)，可有效降低電容的等效串聯(lián)電阻。3.2PFC控制電路外圍參數(shù)計算PFC控制電路采用TI公司的專用PFC芯片UCC28019，作為整個校正系統(tǒng)的控制器。UCC28019為持續(xù)傳導模式的PFC控制器，鋸齒波振蕩頻率為65K，輸出方波最高占空比為97%，內帶5V的電壓基準，推挽式輸出的驅動電壓可達12.5V，電流達1.5A。具有電源輸入軟啟動保護，以及反饋電壓欠壓，過壓鎖存，和峰值電流限制，此外還設有電壓，電流反饋補償端。校正后的功率因數(shù)可達0.99以上，特別適用于BOOST升壓電路，輸入電壓范圍寬，輸出功率大。FPC控制的電路圖如圖6所示。圖6：PFC控制的電路圖控制電路12V電壓供電，圖中R6和C5對輸入電壓值進行濾波，R6采用220歐的電阻，C7取1000pF，Ｃ4是電流環(huán)的補償電容，取值1000pF，C6輸入電壓采樣后的濾波電容，取值0.47uF，C9，C10，R11為電壓環(huán)的補償環(huán)節(jié)，R8取值30K，C10取值10uF，C9取值0.47uF,R9,R12都為最大阻值200K的滑動變阻器。3.3輸出設定電路的設計3.3.1輸出過流保護電路的設計本系統(tǒng)要求有過流保護功能，輸出電流為2.5A時電路自動保護。鑒于此要求采UCC28019芯片內部的封鎖功能，電流經過采樣，放大比較后經UCC28019的VINS（引腳4）檢測是否大于2.5A。過流保護電路圖如圖7。圖7：過流保護電路圖如圖63.3.2數(shù)字設定及顯示電路設計本系統(tǒng)采用JHD529m1LCD128164帶字庫的液晶顯示器，支持串行和并行模式，我們采用并行模式與MCU相連。顯示電路圖如圖所示。圖8：顯示電路圖3.3.3外加電源及基準的設計外加電源提供給APFC因素監(jiān)測電路以及單片機控制電路，本系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓芯片（LM7815、LM7805、LM7915和LM7905）設計。電路設計簡單，三端穩(wěn)壓構成的線性電源紋波小，輸出電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強。外加電源輸出±15V,+12V,+5V?；鶞蕿?2.5V。有關電路圖詳見附錄一。3.4軟件設計系統(tǒng)軟件設計分為兩大部分，包括輸出檢測及顯示；功率因數(shù)檢測。設計流程如圖9所示。程序見附錄二圖9：軟件設計的流程圖4.測試方法與測試結果4.1測試儀器：（50Ω/2A）可調滑線變阻器，五位半數(shù)字萬用表，數(shù)字式單相電參數(shù)測量儀4.2測試方法及測試結果：4.2.1負載調整率測試負載采用200Ω/3A可調滑線變阻器，待系統(tǒng)進入額定狀態(tài)（輸入電壓保持恒定24V不變）時，調節(jié)滑線變阻器，改變輸出電流，用UT39A數(shù)字萬用表監(jiān)測輸出負載電壓。具體數(shù)據如表1所示。測試次數(shù)1234輸出電流（A）0.21.01.52.0輸出電壓（V）36.0035.9435.9235.89表1：負載調整率測試表由上表可根據以下公式求得負載調整率：=0.0034.2.2電壓調整率測試采用50Ω/2A可調滑線變阻器作負載，待系統(tǒng)進入額定狀態(tài)（輸出電流為2A）時，改變輸入電壓，用五位半數(shù)字萬用表監(jiān)測輸出負載電壓。記錄電壓數(shù)據如表2所示。測試次數(shù)12345輸入電壓2023252730輸出電壓35.9235.9636.0036.0136.04表2：電壓調整率測試表根據相關公式可計算出電壓調整率4.2.3輸入功率因數(shù)測試負載采用50Ω/2A可調滑線變阻器，使系統(tǒng)達到額定狀態(tài)，用數(shù)字式單相電參數(shù)測量儀測功率功率因數(shù)。記錄因數(shù)測試數(shù)據如表3所示。測試次數(shù)1234測量儀顯示功率因數(shù)0.9870.9920.9960.981液晶顯示功率因數(shù)0.9710.9820.9890.990表3：輸入功率因數(shù)測試4.3元器件清單見附錄三。5.結論經測試該電路能有效的提高電源的效率，但由于在電路工作時，交流電經橋式整流后并不能得到很平滑的波形，仍存在一定的誤差。而UCC28019內部工作原理是：電流調節(jié)為平均電流采樣模式，跟蹤電壓波形的電流波形經濾波放大后與三角波比較，所以整流后失真電壓波形引起紋波誤差，這個誤差將導致輸出PWM波誤差。若芯片在設計上能將此誤差考慮在內，設計效果會更佳。附錄一:參考文獻[1]譚浩強.C程序設計/譚浩強著.-3版.-北京：清華大學出版社，2005（2007重?。2]謝維成，楊家國.單片機原理與應用及c51程序設計.清華大學出版社，2009.7：[3]臧鐵鋼,唐才峰,陳學鋒.ProtelDXP電路設計與應用.北京:中國鐵道出版社，2005,5[4]康華光,陳大欽,張林.模擬電子技術基礎.北京:高等教育出版社，2012，3[5]周志敏，周紀海，紀愛華.開關電源功率因數(shù)校正電路設計與應用.北京：人民郵電出版社，2004，11[6]【美】SanjayaManiktala著王志強等譯，精通開關電源設計.北京：人民郵電出版社，2008,10[7]郭天祥，51單片機C語言教程.北京：電子工業(yè)出版社，2009，1附錄二:總電路圖附錄三：程序JHD529m1.c#include<head.h>voidlcd_busy() //忙檢測{RS=0;RW=1;E=1;Lcd_Bus=0xff;while((Lcd_Bus&0x80)==0x80);E=0;}voiddelay(uchart) //延時子程序{ucharx;while(t--)for(x=0;x<120;x++);}voidwrite_com(ucharcmd) //寫命令到LCD{lcd_busy();RS=0;RW=0;E=1;Lcd_Bus=cmd;delay(5);E=0;delay(5);}voidwrite_data(ucharDispdata) //寫數(shù)據到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);//選擇基本指令集write_com(0x30);//選擇8bit數(shù)據流delay(5);write_com(0x0c);//開顯示(無游標、不反白)delay(10);write_com(0x01);//清除顯示，并且設定地址指針為00Hdelay(10);write_com(0x06);//指定在資料的讀取及寫入時，設定游標的移動方向及指定顯示的移位}voidhzkdis(ucharx,uchary,uchar*s)//顯示字符串,x從0到7，可顯示8個漢字或16個字符{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++