单相AC-DC变换电路论文.doc

摘 要系统以UCC28019为控制核心，实现有源功率因数校正，在控制方法上采用了平均电流控制策略，通过对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为0，功率因数接近于1，从而实现输出电压稳定在36V，最大输出电流为2A的高功率因数电源。采用UCC28019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，输入电流波形失真度小。关键字：UCC28019，PFC，BOOST电路 目 录第一章 系统方案21.1系统总体方案设计21.2方案设计与论证2第二章 系统综合设计32.1 系统总体流程32.2 系统软件设计32.3 系统硬件设计32.3.1总体设计32.4 电路设计与计算42.4.1 输入电感参数的计算42.4.2输出电容参数的计算42.4.3 整流桥的选择52.5过流保护模块5第三章 测试与调试53.1主电路调试53.2检测电路调试53.2.1软件调试63.2.2实验测试结果6第四章 结论6参考文献6第一章 系统方案1.1系统总体方案设计 本系统采用STM32单片机为检测控制核心，对整个系统进行监测，可测量输出电压、输出电流、功率因数以及可实现输出电压自动设置等功能。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AD 进行采集送至单片机进行电压测量显示，同样通过采集采样电阻电压进行电流测量显示。保护电路由PFC芯片的过压和过流保护，以及AD检测输出电流的大小，过流则关断单片机控制继电器。1.2方案设计与论证方案一：采用DSP+BOOST实现 该方案的控制方法为数字控制，即采用DSP通过编程控制完成系统的功率因数校正，DSP时刻检测输入电压、输入电流以及输出电压的值，在程序中经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1。方案二：采用BOOST+UC3854实现。 该方案的控制方法为模拟控制方法。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 该方案的控制方法与方案二相同都是模拟控制方法。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。 首先，我们经过分析得出采用数字控制方法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，减少材料和装配的成本，而且可减小干扰。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，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。而采用模拟控制方法的优点是，使用专用IC芯片，简单直接，无需软件编程。缺点是电路调试麻烦，易受噪声干扰。然后，我们考虑到本组人员的知识和能力的有限，采用数字控制来实现很困难，且模拟PFC控制是当前的工业选择，技术成熟，成本低，使用方便2。所以我们排除了对方案一的选用。最后，比较方案二和方案三，发现方案三的设计步骤减少了几步，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。 系统控制原理框图如图1-1所示。220V自耦变压器18VUCC2801936V交流输入整流电路BOOST电路电阻负载PFC控制电路 图1-1 UCC28019控制系统框图第二章 系统综合设计2.1 系统总体流程软件控制功率因数测量电路的工作，以及对输出电压、电流的实时采样与显示，还包括在数字设定时通过计算后确定D/A转换器输出参考电压。当检测到输出电流大于2.5A时，控制继电器的关断和电路的复位3。其设计流程图见附录图2.1所示。2.2 系统软件设计 本系统的软件设计采用STM32单片机进行编程，从而实现各模块的功能，主程序主要是控制电路的选择、各参数的检测与控制。单片机所要处理的工作主要分为两个部分，其一：基本工作。包括LCD显示，键盘扫描等；其二：核心处理工作。ADS1286将值采集到单片机后，单片机根据所采集到值分析判断，将其转换为模拟量送到液晶显示模块，显示功率因素等相关参数的值。软件流程图设计见附录图1所示。2.3 系统硬件设计 2.3.1总体设计 根据设计要求，可确定系统主要构造为：主电路，控制电路，测量电路和保护电路四部分。其总体结构框图见附录2，从输入的交流电压220V 开始，经过隔离变压器降压成交流电压18V后送入桥式整流电路进行整流，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AD 进行采集送至单片机进行电压测量显示，同样通过采集采样电阻电压进行电流测量显示。保护电路由PFC芯片的过压和过流保护，以及AD检测输出电流的大小，过流则关断单片机控制继电器3。系统总体电路图见附录3. 本系统在假设变压器副边电压为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为： 式中：、分别为变压器副边的电压、电流有效值，为中的基波分量，为和之间的相位差。考虑到本题的特点，为计算简单，可以用、之间的相位差的余弦作为功率因数。2.4 电路设计与计算2.4.1 输入电感参数的计算根据能量守恒定律，可知输入电流的有效值输入电流的峰值输入纹波电流 纹波电压 其中0.06为电压纹波系数通过电感的峰值电流感值为了留取一定的裕量，故选择感值1mH，允许通过电流最大值为10A左右的电感。2.4.2输出电容参数的计算 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： 实际我们选择的滤波电容为：9400uF。2.4.3 整流桥的选择 通过整流桥中每个二极管的电流 反向承受电压为 我们选择金属封装的整流桥KBPC1510 ，其正向电流最大为15，反向耐压值为1000，完全满足要求。2.5过流保护模块过流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。所以当输出电流为2.5A时，电路自动保护。鉴于此要求，采用UCC28019芯片内部的封锁功能，由单片机检测过流并控制芯片引脚ICOMP的电平，但考虑到这样的封锁对象仅仅限于UCC28019本身，电路的输出电压依然为整流后的25V左右的电压，依然可能存在大电流，对整个系统有很大的潜在威胁4。因此，本系统在主电路中加入继电保护，当单片机检测输出过流时，将发出指令电平通过继电器来切断主回路，达到保护负载的功能。经实际测试，当单片机再次检测输出电流正常时，释放电平，电路可重新恢复。第三章 测试与调试3.1主电路调试整个主电路模块比较清楚，有三部分：整流滤波电路，Boost升压斩波电路及控制电路。当电路焊接好后，首先要做的就是检查电路的连接状况，看是否有短路的地方，虚焊的地方或者是接错了的地方，以及接地线是否都连接在一起了。然后测量输入电压是否在预定的范围内，因为前级的电路是一个整流桥和一个电容滤波，输出电压通常是输入的0.91.2倍，具体电压值与电容值有关5。3.2检测电路调试检测电路采用的都是很成熟的电路，所以调试没有遇到高难度的问题，基本上是把电路焊好，接线后就会有结果，只是要稍微的调节一些元件的参数，主要是电位器的值。但观察输入电流的波形，由于谐波较多，导致波形有点失真，通过加滤波电路后，电流波形比较正常。3.2.1软件调试与硬件相比，软件的调试稍显复杂，对输出电压采样显示来说，为了达到一定的精度，很多参数都需要校准，将采样值转换为实际的电压值时，其结果与ADC的参考电压及硬件电路的放大比率值有直接关系，虽然参考电压的值在数据手册已经给定了但实际的参考电压与数据手册上有一定的差距，信号调理电路的放大比例也可以通过计算得到但元件的容差会使其不准确，而且这两个量是独立的没有联系，所以要在两者之间权衡，根据多次的调试校准，获得相对准确的值。3.2.2实验测试结果 系统实验测试结果见附录4。第四章 结论测试的结果显示，设计较好的完成了预期设计目标，功率因数高达95%以上，稳定性好，并且较好的完成了功率因数的检测显示。本设计中系统要求的实现的一个很重要的特点是采用了双闭环来提高系统的性能，一是输出电压控制环，通过反馈网络稳定输出电压；二是电流控制环，通过对输入电流的检测来实行电流波形优化。通过这些功能简化了实际硬件电路的设计，而且能达到很好的效果。另一个特点是采用了一种比较简单的方法实现了功率因数的检测，即用硬件实现波形的调理用软件实现记时与计算，因为采用了比较好的控制芯片，所以电压与电流波形的失真比较小，采用这种方法在一定的精度范围内是合理的，并具有一定的精确度。参考文献1左学杰，钟炎平，陈耀军.基于UCC28019的高功率因数电源设计，电源技术应用,2009。 2施保华，计算机控制技术M，武汉：华中科技大学出版社,2007。3田一华，王晓华，鲁俊环.单相Boost型APFC电路的设计及仿真研究J，佳木斯大学学报：自然科学版，2008(6)。4曲学基，王增福，曲敬铠，稳定电源实用电路选编M，北京：电子工业出版社，2003。5高吉祥，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计M，北京：电子工业出版社，2007。附录否开始系统初始化液晶初始化是否有键按下判断键码功率因数测量输出电压设定输出电压电流测量是否过流？过流保护显示是是否图2.1 系统流程图图2.2 软件设计图加法电路PFC控制芯片BOOST电路整流电流检测输入电压变压器220v功率因数检测A/D转换负载电压反馈电压电流检测单片机键盘液晶显示屏图2.3.1系统总体框图序号项目与测试条件测试记录1测量输出RL=30WU2=16V测量值UO=35.8V电压U2=18V测量值UO=35.8VU2=19V测量值UO=35.8VU2=18VRL=60W测量值UO=36VRL=30W测量值UO=35.8VRL=20W测量值UO=35.2V2功率因数U2=18V,RL=30W测量值U2I2相位差j=8cosj=0.990图3.2.1 实验测试结果AD采集部分程序：#include adc.h#include delay.h /初始化ADC/这里我们仅以规则通道为例/我们默认仅开启通道1 void Adc_Init(void) /先初始化IO口 RCC-APB2ENR|=1CRL&=0XFFFFFF0F;/PA1 anolog输入/通道10/11设置 RCC-APB2ENR|=1APB2RSTR|=1APB2RSTR&=(1CFGR&=(3CFGR|=2CR1&=0XF0FFFF; /工作模式清零ADC1-CR1|=0CR1&=(1CR2&=(1CR2&=(7CR2|=7CR2|=1CR2&=(1SQR1&=(0XFSQR1&=0SMPR2&=(7SMPR2|=7CR2|=1CR2|=1CR2&1CR2|=1CR2&1SQR3&=0XFFFFFFE0;/规则序列1 通道chADC1-SQR3|=ch; ADC1-CR2|=1SR&1DR;/返回adc值/获取通道ch的转换值，取times次,然后平均 /ch:通道编号/times:获取次数/返回值:通道ch的times次转换结果平均值u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)u32 temp_val=0;u8 t;for(t=0;tAPB1ENR|=1APB2ENR|=1CRL&=0XFFFFFFF0;/PA0 清除之前设置 GPIOA-CRL|=0X00000008;/PA0 输入 GPIOA-ODR|=0ARR=arr; /设定计数器自动重装值 TIM5-PSC=psc; /预分频器 TIM5-CCMR1|=1CCMR1|=0CCMR1|=0CCER|=0CCER|=1DIER|=1DIER|=1CR1|=0x01; /使能定时器2MY_NVIC_Init(2,0,TIM5_IRQChannel,2);/抢占2，子优先级0，组2 /捕获状态/7:0,没有成功的捕获;1,成功捕获到一次./6:0,还没捕获到高电平;1,已经捕获到高电平了./5:0:捕获高电平后溢出的次数u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;/输入捕获状态 u16TIM5CH1_CAPTURE_VAL;/输入捕获值/定时器5中断服务程序 void TIM5_IRQHandler(void) u16 tsr;tsr=TIM5-SR; if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)=0)/还未成功捕获if(tsr&0X01)/溢出 if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)/已经捕获到高电平了if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)=0X3F)/高