单相AC-DC变换电路(A题)设计报告_全国电子设计竞赛.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛单相ac/dc变换电路（a题）iii摘 要 本系统以boost升压斩波电路为核心，采用pfc功率因数校正专用控制芯片ucc28019产生pwm波形，进行闭环反馈控制，从而实现稳压输出。实验结果表明：电源进线的交流电压和负载电流在比较宽的范围内变化时，电源输出直流电压能够保持较高的稳定性，电源交流输入功率因数达到89%，效率达到92%，具有良好的电压调整率和负载调整率，此外，本系统还具有输出2.5a过流保护，输出功率因数的测量与显示功能。关键词：开关电源 ucc28019 boost电路 功率因数校正 【abstract】this system in order to boost the boost chopper circuit as the core, adopts pfc control chip dedicated power factor correction ucc28019 pwm waveforms, the closed-loop feedback control, so as to realize the voltage output. the experimental results show that the power supply into line voltage and load current changes in a comparatively wide scope, can maintain the stability of the high power output dc voltage, power supply ac input power factor reaches more than 89%, efficiency of 92%, has the good voltage regulation and load regulation, in addition, this system also has 2.5 a output over-current protection, the measurement and display of power factor of the output.目 录1系统方案11.1dcdc变换模块的论证和选择11.2pfc控制方案的论证和选择22系统理论分析与计算22.1电路设计的分析22.1.1主电路的分析22.1.2控制电路的分析32.1.3功率因数测量电路的分析62.2主回路器件的选择及参数计算62.3 pfc控制电路参数计算93电路与程序设计103.1电路的设计103.1.1系统总体框图103.1.2 主电路子系统框图与电路原理图113.1.3 辅助电路子系统框图与电路原理图123.1.4辅助电源133.2程序的设计133.2.1程序功能描述与设计思路133.2.2程序流程图144测试方案与测试结果144.1测试方案144.2 测试条件与仪器154.3 测试结果及分析154.3.1测试结果(数据)154.3.2测试分析与结论16附录1：电路原理图17附录2：源程序18单相ac/dc变换电路（a题）1系统方案1.1 dcdc变换模块的论证和选择方案一：buck型拓扑结构变换器：该方案可在隔离变压器输出端进行三倍压整流，再将直流电压通过buck型拓扑结构进行降压变换实现。但采用buck型变换器输入端电压偏高，驱动电路和控制电路的电源方案较麻烦，并且可靠性不高。图1 buck 电路原理图方案二：型拓扑结构变换器：它的输出电压极性与输入电压相反，但其值可以高于、等于或低于输入电压的值。其输入和输出电流都是连续的，经两个电感的补偿耦合，将输入和输出的波纹电流和电压抑制到零，但内部谐振使传递作用断续或在某些频率上削弱输入波纹抑制。在耦合电感线圈和变压器隔离的结构中，由于“开关导通”初期的冲击耦合电流会引起输出电压反向，并且也存在稳定性问题。图2电路原理图方案三：boost型拓扑结构变换器：boost升压斩波电路：拓扑结构如图3所示。开关的开通和关断受外部pwm信号控制，电感l将交替地存储和释放能量，电感l储能后使电压泵升，而电容c可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为=()，通过改变pwm控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。图3 boost电路原理图通过以上综合分析比较，boost型拓扑结构变换器是dcdc变换器的理想选择。1.2 pfc控制方案的论证和选择一般功率因数校正的控制方法有模拟控制方法和数字控制方法，为此设想了以下几种控制方案：方案一：采用dsp+boost实现： 采用纯软件调整控制参数，比如，pwm波的占空比，一般的使用数字控制可以减少元器件的数量，减少材料和装配的成本，而且可减小干扰，但限于本组知识和能力的限制，不选用该方案。方案二：采用boost+uc3854实现： uc3854是一种工作于平均电流的的升压型有源功率因数校正电路。它的峰值开关电流近似等于输入电流。是目前较为广泛使用的apfc电路。该方案所实现的pfc电路，要调节uc3854的电压放大器，电流放大器和乘法器。方案三：采用boost+ucc28019实现： ucc28019是ti公司新近推出的一种功率因数校正芯片，该芯片采用平均电流模式对功率因数进行校正，使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1，实现了接近于l的功率因数。ucc28019组成的pfc电路,只调节一个放大器的补偿网络即可。 比较三种方案，发现方案三，设计步骤减少了好几步，相对来说简单易行，而且实验结果证明该方案完全达到题目的要求。综上所述，选用方案三。2系统理论分析与计算2.1电路设计的分析本文设计了一个直流输出电压为36v、电流2a的高功率因数开关电源，其交流输入电压为24v，该电路包括主电路，控制电路，测量电路和保护电路四部分。从输入的交流电220v 开始，经过隔离变压器调压成交流电24v后送入全桥整流电路进行整流，再经过高频滤波电容后送给主电路，主电路为boost 电路，由pfc 芯片ucc28019 控制开关管导通关断，经过boost电路升压后电压变为36v。控制电路和测量电路包括pfc控制电路和单片机测量控制电路，pfc控制电路由专用pfc芯片组成，单片机测量控制电路主要是输出侧通过电阻分压并用电压、电流传感器进行采集比较送至单片机进行功率因数测量显示。保护电路是pfc芯片的过压和过流保护。2.1.1主电路的分析boost变换电路由q1、电感l1、二极管d1和输出电容c0组成，原理图如图4所示：图4 boost变换电路原理图工作原理：在和开关管q1之间串接电感l1，电感的下端通过整流二极管d1给输出电容c0及负载供电。当q1在ton时段导通时，d1反偏，l1的电流线性上升直到 ,此时了l1存储了能量由于在q1导通时段输出电流完全由c0提供，所以c0应选得足够大，以使在ton时段向负载供电时其电压降低能满足要求。q1关断时，由于电感电流不能突变，l1的电压极性颠倒，l1异名端电压相对同名端为正。l1同名端为且l1经d1向c0充电，使c0两端电压高于，此时电感储能给负载提供电流并补充c0单独向负载供电时损失的电荷。若q1下次导通之前，流过d1的电流已下降到零，则认为上次q1导通时存储于l1中的能量已释放完毕，电路工作于不连续模式；反之若电流在关断时间结束时还未下降到零，则由于电感电流不能突变，q1下次导通时电流上升会有一个阶梯，此时称电路工作于连续模式。输出电压的调整是通过负反馈环控制q1导通时间实现的。若直流负载电流上升，则导通时间会自动增加为负载提供更多能量。若下降而ton不变，则峰值电流即l1的储能会下降，导致输出电压下降。但负反馈环会检测到电压的下降，并通过增大ton来维持输出电压恒定。2.1.2控制电路的分析ucc28109芯片介绍：ucc28019是一款8引脚的连续导电模式（ccm）控制器，该器件具有宽泛的通用输入范围，适用于100w至2kw以上的功率变换器。有源功率因数校正控制器ucc28019使用boost拓扑结构，工作于电流连续导电模式。欠压锁定期间的启动电流低于200ua。用户可以通过调整vsense脚的电压低于0.77v而使系统工作于低功耗待机模式。该控制器不需要检测电网电压，利用平均电流控制模式可以实现输入电流较低的波形畸变，大大减少了元器件数量。简单的外围电路非常便于对电压环和电流环进行灵活的补偿设计。开关频率可以控制在5%的精度，可以为外部开关管提供快速1.5a峰值栅极驱动电流。该控制器具有许多系统级的保护功能，主要包括峰值电流限制，软过电流保护，开环检测，输入掉电保护，输出过压、欠压保护，过载保护，软启动，芯片内部将栅极驱动电压箝位于12.5v等。(1) ucc28019的特点连续导电模式控制器ucc28019具有以下特点： 不需要对电网电压进行检测，减少了外围元器件 宽范围的通用交流输入电压 65khz的固定开关频率 最大占空比达97% 输出过压、欠压保护，输入掉电保护 单周峰值电流限制 开环保护 低功耗待机模式(2) ucc28019引脚说明ucc28019采用8-lead pdip和8-lead soic两种封装形式，其引脚排列如图5所示，引脚功能介绍如下gnd gate icomp vccisense vsensevins vcomp12348765图5 ucc28019的引脚排列（soic-8、pdip-8）表2.1 ucc28019引脚功能说明引脚号引脚符号引脚功能1gnd芯片接地端2icomp电流环路补偿，跨导电流放大器输出端，引脚的工作电压高于0.6v3isense电感电流检测。该管脚通过对电流检测电阻外接一220电阻可以有效抑制浪涌电流的涌入4vins交流输入电压检测。当系统交流输入电压高于用户定义的正常工作电压或低于掉电保护电压时，输入掉电保护（ibop）动作5vcomp电压环路补偿。该引脚经过外部阻容电路接地，构成电压环路补偿器6vsense输出电压检测。boost pfc变换器的直流输入电压经过电阻分压器采样后接入该引脚，为了滤除高频噪声干扰，该引脚对地外接一个小电容7vcc芯片工作电源。为防止高频噪声对电源的干扰，通常该管脚对地外接一个0.1uf的陶瓷电容，并且尽量靠近ucc28019芯片8gate栅极驱动。推挽式栅极驱动，可以驱动外部一个或多个功率mosfet，提供1.52.0a电流驱动(3)ucc28019的内部结构和工作原理ucc28019是一款在连续工作模式下，以固定频率工作的具有功率因数校正功能(pfc)的控制芯片，该芯片具有软启动、欠/过压保护、过流保护、开路保护以及峰值电流限制等功能，ucc28019内部结构框图如图6所示：图6 ucc28019内部框图ucc28019的控制调节功能是通过两个回路完成的：一个是内部的电流回路；来自取样电阻的负极性电压信号从isense端进入到芯片内部后经反相器成为正极性信号，该信号经过电流放大器后输出为icomp；斜坡信号发生器产生的信号与icomp电压进行比较，其输出作为芯片内部rs触发器的输入，与内部65khz振荡信号一起控制pwm的占空比，输出脉冲经推挽电路控制功率开关器件的通断；从图2可以看出，假设当斜坡电压线性上升并刚好超过icomp的电压时经过的时间为，而这个时间又决定了doff，根据斩波拓扑方程有doff =vin/vout，由于vin的波形是正弦波，而icomp的电压与电感电流成正比，控制回路就迫使电感电流波形跟踪输入电压波形，因此输入电流波形也是正弦波形并与输入电压同相，因此实现了功率因数校正。二是外部电压回路，开关电源输出电压通过分压后的取样电压从vsense端输入，与内部一些比较器连接在一起，起到欠/过压保护、开路保护以及稳压的作用；电压误差放大器输出的电流对连接在vcomp端的补偿网络进行充电或者放电，从而建立起合适的vcomp电压来满足系统正常运行；vcomp上的电压常常用来设置电流放大器的增益以及斜坡信号的斜率，当外部回路在稳态时可以自动调整芯片内部的增益参数使输入电流波形具有较低的畸变，从而保证开关电源具有较高的功率因数。2.1.3功率因数测量电路的分析对于某一正弦信号，周期性地出现过零点，测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。通过电压互感器和电流互感器得到低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为ttl方波脉冲。利用输入两路信号过零点的时间差，以及信号的频率来计算两路信号的相位差。其原理图如图7所示：图7 双路比较器lm393整形电路两路信号的相位差：。其中，n为两路信号的上升沿分别触发计数器的差值，为单片机时钟频率，t为输入信号的周期。2.2主回路器件的选择及参数计算 主电路参数计算: 主回路原理图如图8所示，设计中，首先确定最大输入峰值电流 ，这可以根据电源的效率和要求达到的功率因数来计算：输入最大有效电流最大电感峰值电流图8主电路图（1）、输入电容（cin），这个电容容量很小，主要是滤除整流输出电压中的高频成分。通过计算出允许的纹波电流值及纹波电压值，可以得到输入电容的最大值，这里将的20%作为纹波电流，电压纹波系数为6%,；根据手册，计算过程如下：纹波电流峰值最大纹波电压将和代入下式即可得到：输入电容 取为1（2）、升压电感(lbst)，起储能作用；按照占空比可以计算出斩波电感的最小取值： 取为200（3）、输出滤波电容(cout)，该电容的选择主要是满足输出电压保持时间；当要求在保持时间 内，开关电源输出电压不低于30v时，则输出滤波电容容量按下式计算：（4）、功率开关元件(qbst)，开关管要求工作在65khz，在系统中取irf540n，击穿电压可到=100v，最大电流=23a，导通电阻很小，开关管上升时间为39ns，可满足题目要求。（5）、快速恢复二极管(dbst) 和快速启动二极管的选择，d1二极管的主要功能是使系统快速启动，系统中采用fr107，快速恢复二极管d3选择b201006。（6）、采样电阻(rsense)：主要是对电感电流进行取样；考虑到软过流保护的下限以及电感峰值电流的最大取值，取样电阻的计算如下：（7）、为使器件避免由于瞬时峰值电流的损害，用一个risense=220的电阻与isense引脚串联，同时在该引脚处与地线之间接1只1000pf的电容cisense，以改善抗干扰性能。（8）、为了使电源功耗尽可能小及使反馈电压误差最小，反馈电阻rfb1=100k，rfb2按下式计算：实际连接一个滑动变阻器101,另外还需要在vsense引脚处接1只小电容以滤除噪声干扰，一般cvsense=820pf。（9）、输入低电压保护(brown out protection)电路中，由rvins1和rvins2分压获得的电压，从ucc28019的4脚(vins)进入，当引脚电压低于0.8v时，芯片将切断从8脚(gate)的驱动输出。rvins1和rvins2的参数计算如下：假设流经分压电阻的电流为输入偏置电流的150倍，即若，则实际设计中rvins1取2m，rvins2取100k。另外在vins引脚与地之间还接有电容cvins，主要作用是滤除纹波电压，防止误触发输入低电压保护电路；其次可以延迟一定时间启动输入低电压保护电路。cvins的放电时间一般要求大于输出电容的保持时间；cout的保持时间为一个周期，因此当cvins的放电时间满足半周期的2.5倍时，可以按下式得到cvins的值：取为1。2.3 pfc控制电路参数计算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89%，特别适用于boost升压电路，输入电压范围宽，输出功率大。pfc控制的电路设计如图9所示：图9 pfc控制电路图其中控制电路12v电压供电，图中r7和c7对输入电压值进行滤波，r7采用220欧的电阻，c7取1,c6是输入电压采样后的滤波电容，取值为1。（1）、vcomp端的补偿网络参数的确定:一个由电阻和电容组成的网络连接在vcomp端与地之间起到补偿作用。跨导误差电压放大器输出的电流对该网络的电容进行充电或者放电，目的是建立合适的vcomp电压来保证系统正常运行。查手册可知，电压传递函数的开环增益在10hz时为gvldb(f)=0.709db，另外可知：=42us，k1=7，kfq=1/65khz=15.385us，m1m2=0.37v/us，fv=10hz，fpole=20hz根据已知条件首先需要计算出脉宽调制到功率级的极点的值，然后利用相应公式计算出各元件参数：实际cvcomp取值3.3uf。实际rvcomp取27k。实际取值0.33。（2）、icomp端是跨导电流放大器输出端：此端与地之间接有一补偿电容cicomp，主要起补偿和平均取样电流信号的作用。从手册上可以得到平均电流极点=9.5khz，=0.95ms，m1=0.484，k1=7，则可利用公式计算出的cicomp取值：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10所示，220v交流电压经过隔离、降压、整流、滤波后，得到比较稳定的直流电压，在经过dc/dc电路升压后再滤波得到比较平滑的直流输出电压；pfc控制电路采用ucc29019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；同时在变压器副边检测的电压、电流信号经过比较器整形后，送入stc89c51单片机对其进行分析处理，外接lcd液晶显示功率因数。当输出电流大于2.5a时，ucc29019的3脚isense做软式过流限制，4脚vinsac电压检测端电压超出阀值，起过流保护作用。隔离变压器ac/dc整流dc/dc变换pfc控制电压电流互感器比较器单片机液晶显示ac 220v 负载ac24v输入电压电流检测电压反馈自耦变压器36v图10 系统总体框图3.1.2 主电路子系统框图与电路原理图1、主电路子系统框图隔离变压器ac/dc整流dc/dc变换pfc控制ac 220v 负载ac24v输入电压电流检测电压反馈自耦变压器36v 图11 主电路子系统框图2、主电路子系统电路图12 主电路子系统电路3.1.3 辅助电路子系统框图与电路原理图辅助电路包括过流保护电路、功率因数测量电路。1、功率因数测量电路子系统框图以stc-51单片机为核心的功率因数测量系统硬件结构图如图13所示。该测量系统主要由电流互感器、电压互感器、整形修正电路、单片机、led显示器和通信接口等组成。电压互感器电流互感器整形修正电路stc-51单片机最小系统串口通讯led显示图13 功率因数测量电路子系统框图2、功率因数测量电路子系统电路在 lm393 的输入端加了两个in4108稳压二极管将输入信号控制在 -0.7v+0.7之间，经过零比较器将正弦信号转变成方波；用触发器cd4013去除高频信号，滤除谐波干扰；通过2个施密特整形触发器，得到ttl方波信号。送入单片机进行分析处理。原理图如图14所示：图14 功率因数测量电路子系统电路3.1.4辅助电源辅助电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5v和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，原理图如图15所示：图15 电源电路子系统电路3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现显示功能。显示部分：显示功率因数。2、程序设计思路系统软件控制功率因数测量部分的侧相电路工作。上电后，系统进行初始化，然后调用取样子程序，检测当前电压电流的相位差，根据测量公式显示功率因数。3.2.2程序流程图主程序流程图和计算公式流程图如图16所示：开始初始化数据处理显示初设功率因数值key1=1显示被测功率因数值key2=1是否是否开始m=20=n*2/（n+m）的计算a=返回是否图16程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案硬件测试：（1）负载调整率的测试方法：在输入电压调为24v，输出电压设置为36v的条件下，调节负载电阻使输出电流在0.2a2.0a范围内变化，测量输出电压，分别记为和，则负载调整率（）100%，即为负载调整率。（2）电压调整率的测试方法：调节负载当输出电压达到稳定值36v时，使输出电流为2a。调节调压器，使整流电路输入电压分别在2030v范围内变化，测量这两种情况下输出电压，分别记为和，则电压调整率s1（）36100%，即为电压调整率。（3）功率因数的测量：通过调节负载，输出不同电流值的情况下，用示波器的探头夹在鉴相的输出点，测量波形的占空比d，即可计算功率因数 ，与液晶显示的功率因数pf1比较计算误差。（4）电路效率测量： ac/dc电路效率,其中,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：gos-630fcmo模拟示波器，8903f数字电参数测量仪（500v 40a），安捷伦五位半数字万用表，mf47万用表，滑线变阻器。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)（1）当输入交流电压us为24v，负载电流为2a时，将输出电压稳定在36v测量结果如表1（:误差参考电压u=36v0.1v）表4.1 测量输出电压（采用安捷伦五位半数字万用表测试）us(v)io(a)(v)误差24236000 (2) 在输入电压调为24v，输出电压设置为36v的条件下，调节负载电阻使输出电流在0.2a2.0a范围内变化时，测量输出电压。表4.2 负载调整率（采用安捷伦五位半数字万用表测试）us(v)io(a) (v)误差240.236.080.25%242.035.987(3) 在输入电压调为24v，输出电压设置为36v的条件下，。调节调压器，使整流电路输入电压分别在2030v范围内变化时，测量这两种情况下输出电压。表4.3电压调整率（采用安捷伦五位半数字万用表测试）us(v) (v)误差2035.930.47%3036.1（4）功率因数的测量表3.3功率因数测量（8903f数字电参数测量仪（500v 40a）功率因数（系统测量值）功率因数（实测量值）误差（%）0.890.88570.483%（5）输出电路过流保护测试：经测试本系统在电流达到2.5a时，输出波形不再震荡，具有过流保护功能。4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、该电源输出的直流电压能够保持较高的稳定性；2、该电源具有良好的电压调整率和负载调整率；3、该系统采用有源功率因数校正，可改善电源输入功率因数，电源交流输入功率因数达到0.89以上；4、电源具有过流保护功能。综上所述，本设计达到设计要求。24附录1：电路原理图图1 系统原理图 图2 单片机最小系统及功率测量电路附录2：源程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/这三个引脚参考资料sbit e=p27;/1602使能引脚sbit rw=p36;/1602读写引脚sbit rs=p37;/1602数据/命令选择引脚uint time=0; uchar wan,qian,bai,shi,ge,i=0;/* 名称 : delay()* 功能 : 延时,延时时间大概为5us。* 输入 : 无* 输出 : 无*/void delay()_nop_();_nop_();void delay(uint del)uint i,j;for(i=0;idel;i+)for(j=0;j=148;j+)/* 名称 : bit busy(void)* 功能 : 这个是一个读状态函数，读出函数是否处在忙状态* 输入 : 输入的命令值* 输出 : 无*/void busy(void)bit busy_flag = 1;p0 = 0x80;rs = 0;delay();rw = 1;delay();e = 1;/delay(1);while(1)busy_flag = (bit)(p0 & 0x80);if(busy_flag = 0)break;e = 0;/* 名称 : wcmd(uchar del)* 功能 : 1602命令函数* 输入 : 输入的命令值* 输出 : 无*/void wcmd(uchar del)rs = 0;delay();rw = 0;delay();e = 0;delay();p0 = del;delay();e = 1;delay();e = 0;/* 名称 : wdata(uchar del)* 功能 : 1602写数据函数* 输入 : 需要写入1602的数据* 输出 : 无*/void wdata(uchar del)delay();rs = 1;delay();rw = 0;delay();e = 0;delay();p0 = del; delay();e = 1;delay();e = 0;/* 名称 : l1602_init()* 功能 : 1602初始化，请参考1602的资料* 输入 : 无* 输出 : 无*/void l1602_init(void)delay(15);wcmd(0x38);delay(5);wcmd(0x38);delay(5);wcmd(0x38);wcmd(0x38);busy();wcmd(0x08);busy();wcmd(0x01);busy();wcmd(0x06);busy();wcmd(0x0c);/* 名称 : l1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)* 功能 : 改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符显示b ，调用该函数如下 l1602_char(1,5,b)* 输入 : 行，列，需要输入1602的数据* 输出 : 无*/void l1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2)a = 0xc0;a = a + lie - 1;busy();wcmd(a);busy();wdata(sign