单相 AC-DC 变换电路 (A题).doc

单相AC-DC变换电路(A题)摘 要：单相AC-DC变换电路设计以Boost升压斩波电路为主电路，MSP430F1611单片机作为微处理器。通过检测电路，单片机控制电路，驱动电路完成对Boost升压斩波电路实现闭环反馈控制。硬件电路包括Boost升压斩波电路拓扑、场效应管驱动电路、电压采样电路、电流采样电路、矩阵键盘、5110液晶显示模块、辅助电源供电模块、和MSP430F1611单片机最小系统控制电路。系统通过对输入电压、电流和输出电压、电流采样，信号经MSP430F1611单片机内部AD转换成数字量，通过编程对反馈电压的采样信号与给定输出电压进行PID调节控制实现电压36V稳定输出，软件算法实现对输入电压和输入电流采样跟随控制，实现对功率因素调整。程序中对采样得到的电压、电流信号计算得到的系统效率，并在5110液晶模块显示输出电压、输出电流、工作效率和功率因数。当输入端和负载端有短路出现时，单片机将控制保护电路完成输入和输出的短路保护功能。系统电路设计能够36V电压的稳定输出，负载调整率最低可达到0.42%，具有输入短路保护和输出短路保护功能，功率因素调整可达到0.96以上。电路参数可在5110液晶上显示等。采用单片机控制调整可以实现输出电压可调功能。一：方案设计与论证方案1：以功率因数调整芯片UC3854实现高功率因数和36V电压稳定输出，功率因素至少可达到0.99以上。由系统要求输入有效值为20V-30V的交流电压，电压稳定输出36V，所以设计以UC3854与BUCK-Boost升压斩波电路拓扑结构。UC3854通过外接前馈电压电路、输入电流检测电路、电压反馈电路，经过UC3854输出PWM直接驱动场效应管工作。该方案外围电路设计比较简单，但电路的外接参数计算比较复杂，且设计参数决定输出电压的和功率因数的大小，所以要实现对电源系统功率因数调节比较困难。方案设计框图如图1.1。AC输入BUCK-BOOST拓扑电路UC3854控制电路DC输出前馈电压、电流信号反馈电压整流电路图1.1 方案一系统设框图方案2：设计以Boost升压斩波拓扑电路作为电源主电路，控制部分以MSP430F1611单片机为控制微处理器。交流20V-30V输入电压条件下Boost升压斩波电路可满足36V电压输出。可通过编程建立输入电压、输入电流，输出电压、输出电流信号与功率因素控制量和输出电压的控制关系，采用PID调节输出PWM输入到控制驱动电路使场效应管工作。整体电路设计简单，效率较高，电源扩展功能的设计更灵活。电源输出电压、电流、功率因素等参数可调节性强。方案设计框图如图1.2。AC输入DC输出BOOST拓扑电路MSP430F1611单片机控制前馈电压、电流信号反馈电压整流电路5110液晶显示矩阵键盘电流检测图1.2 方案二设计框图方案3：电源系统以Boost电路为主要拓扑，功率因素调整和电压稳定输出的控制电路以模拟电路构成。组成电路有误差放大器、乘法器、除法器、脉宽调制器、震荡发生器和推挽式输出驱动电路。该方案主要要求对模拟电路的设计及其参数选择比较熟练并有一定电路调试的经验积累，应用电路调试比较复杂。由于调试需要在闭环反馈条件下，使单个模块电路的调试难度较大。方案设计框图如图1.3。AC输入BOOST拓扑电路乘、除法器前馈分压电压反馈电压整流电路振荡器发生器脉宽调制驱动电路误差放大器DC输出图1.3 方案三设计框图方案论证：方案1电源系统设计，能实现很高的功率因素，36V电压可实现稳定输出，要实现对功率因素的调节，外围电路设计较复杂，电源输出参数的可控程度较低。方案2电路设计简单，能实现电压稳定输出，MSP430F1611单片机作为控制处理器，通过程序算法实现输入电流对输入电压的跟随控制可实现功率因素的调整，键盘输入数据可实现功率因素的可控调节。通过软件编程外接简单控制电路可实现电路控制扩展部分。方案3电路设计以模拟电路电路拓扑，各部分模拟电路设计和调试比较复杂，可用单片机或硬件电路实现功率因数的调整。电路设计和测试较困难。综上所述系统设计选择：方案2二：电路与程序设计1、 AC-DC转换Boost升压斩波电路设计。主电路图如图2.1.1。图2.1.1 Boost 拓扑电路1.1升压电感设计电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小，且它的值与纹波电流的大小有关。电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。由于最大的峰值电流出现在 线电压为最小值,负载最大时,所以有：转换器的输入线电流峰值为 4.42A，出现在交流电压为20V时。假如容许 2 0%的电流脉动，则有：在升压型转换器中最大纹波电流发生在占空比为 50%时，即在升压比为电感值是由半波整流最低输出电压时的电流峰值在此电压时的占空比D 以及开关频率所决定的，其关系式如下：时的占空比，为输入电压为最低，电路设计中电感取500uH。1.2输出电容的选择输出电容由两个因数决定，第一：保持时间（维持时间是指当输入能量截止时，输出电压仍可维持在某个特定范围的时间长度。 若不要求维持时间的长短，则输出电容值将会很小，小到每瓦特输出仅需要 0.2 F 的电容，而纹波电流与纹波电压将成为主要考虑的目标。维持时间的长短是输出电容所储存能量、负载所需的能量大小、输出电压与负载的最低工电压等因素的函数）；第二：输出电压纹波的大小输出电容由容许的输出最大纹波电压决定，输出纹波电压频率为2倍的基频率。电路设计采用小容值电容并联的方式，用以降低电容的等效串联电阻（RES）。本设计输出的范例里，输出电容如下式所示:1.3输出滤波电感、电容设计输出端选择滤波器电路采用型低通滤波器，输出端电容滤波器参数选择与输出纹波频率有关。测试电路输出纹波电容频率为100Hz。滤波电路设计要求在50Hz处衰减3dB，在100Hz处衰减20dB，。归一化低通指标，计算通过查表，用Z=600和频率变换洗漱（FSF=2）进行归一化：2辅助电源电路设计电源系统辅助电源分别给驱动电路和处理器提供12V和5V工作电压，辅助电源电路设计如图1.2.1。图1.2.1 12V/5V辅助电源电路辅助电源模块电路采用LM26003开关电源集成芯片组成，12V和5V电源模块电路基本一致，输出电压由反馈电阻反馈电压的大小决定。软件设计流程图否否是开 始系统初始化初始化完成AD采样PWM输出PID调节矩阵键盘扫描5110液晶显示PFC调节If按键输入Buffer整体电路设计图如下三、系统测试与结果分析1、测试仪器、仪表仪 器型 号精 度厂 商函数信号发生器33220A0.05%南京新联电讯仪器有限公司示波器UTD2102CEL3%可调式直流稳压恒流电源DF1731SLL3A+0.1%数字万用表33401ADT9205AVC9807A+6位半3位半4位半 划线变阻器BX77-140.1%接触调节器0.8%成都电互仪表智能电力参数与电能质量监控装置BS802成都比善科技开发有限公司2、测试方法AC-DC电路效率测试方法：电源输入端接入24V交流，在电源模块正常工作后，在AC输入端和DC输出端串联电流表，并联电压表。调节负载使输出电流。测得输入电压，输入电流，输出电压输出电流。测得示数后计算出电路效率负载调整率测试方法：电源输入端接入24V交流，在电源模块正常工作后，调节负载使输出电流分别为0.2A和2.0A时的输出电压值、。通过公式计算负载调整率如下： x 100%电压调整率的测试方法：调整输入电压的电压值分别为20V和30V时的输出电压、。通过公式计算电压调整率如下： x100%功率因素测量方法：使用电能质量监控表测试系统功率因数，将监控电流接线串连接到输入端，电压检测线接到输入另一端。通过电表测出电源系统功率因数大小。2、 测试结果与分析表1：负载调整率测试结果输入电压/V输出电流/A输出电压/V负载调整率2400.235.90.334%2402.036.02表2：电压调整率测试结果输入电压/V输出电流/A输出电压/V电压调整率20.02.0360.55%30.02.036.2表3：功率因数测试结果输入电压/V输出电压/V输出电流/A功率因数24.