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2014年福建省大学生电子设计竞赛LED驱动并联供电系统设计（E题） 组员： 叶榕 郑伯强 陈子峰 2014年9月6日26 / 29摘要： 本系统以STC89C5电路为核心，以UCC28019为主控制器，以LM5017为辅助控制，根据反馈信号对电压做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现最大范围调整输出电流，检测相应的输出电压范围，参数测量显示。同时系统具有输出过流保护和输入欠压保护功能，且可以实现对输入电压、输出电压和输出电流的测量和检测。关键词：电源 ；功率因数校正；UCC28019；LM5017目 录1系统方案11.1整流方案论证11.2控制系统方案论证11.3 隔离电路的论证与选择21.4单片机模块的论证和选择22系统理论分析与计算32.1 电路的分析32.1.1 Boost变换器32.1.2 PFC42.1.3 隔离电路72.2电路的计算72.2.1 桥式整流器82.2.2 输入电容82.2.3 升压电感92.2.4 升压二极管92.2.5 开关元件92.2.6 检测电阻102.2.7 输出电容103电路与程序设计173.1电路的设计183.1.1系统总体框图183.1.2 主控制子系统框图与电路原理图183.2程序的设计193.2.1程序功能描述与设计思路193.2.2程序流程图194测试方案与测试结果204.1测试方案204.1.1 硬件测试204.1.2 硬件软件联调204.2 测试条件与仪器204.3 测试结果及分析204.3.1测试结果(数据)204.3.2测试分析与结论21附录1：电路原理图22附录2：源程序23LED驱动并联供电系统设计（题）【Z016组】1系统方案本系统主要由整流模块、主控制模块、隔离模块、单片机模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1整流方案论证方案一:采用有中心抽头的整流,可以做到无论正半周或负半周，通过负载电阻R的电流方向总是相同的,这样可以有较高的效率。但在这种整流方式时其电源变压器必须有中心抽头。方案二:采用桥式整流,桥式整流克服了一般整流的利用率不高的缺点。而且,桥式整流电路克服了变压器次级有中心抽头的全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，只多用了两只二极管。在半导体器件发展快，成本较低的今天，此缺点并不突出.基于上述分析，选择方案二。1.2控制系统方案论证方案一：采用无源功率校正方式(PPFC)，此种方案由无源器件构成功率校正模块,可以轻松简单地实现开关电源的控制，并且可以使输入电流的总谐波含量与基波比降低到30%以下,输入电流总谐波含量及3、5、 7等奇次谐波都得到很大改善,功率因数也可以提高到一定程度上。由于在电路中使用串联电感补偿的方法,所以成本相对较低。但无源PFC的缺点是增加的无源元件,一般体积都很大也比较重,校正后的功率因数也不是很高,只能达到0.70.8,并且发热量比较大,容易产生工频振动和噪声。方案二：采用有源功率校正方式(APFC)中的升压变换方式(Boost PFC)，此种方案由有源器件构成功率校正模块, 其中,Boost变换器具有电感电流连续,储能电感同时也可作为滤波器抑制RFI和EMI噪声,传导噪声低,电流波形失真小输出功率大,共发射极(或源极)使得驱动电路简化.使用此方案可以很方便地在程序中实现对电源的调节，减少了硬件电路。 基于上述分析，选择方案二。1.3 隔离电路的论证与选择方案一：使用光耦隔离，对输入输出电信号有良好的隔离作用。使用多用，途广泛，但是传输延迟较大，。 方案二：LM5017可为隔离式输出提供出色的调整。与传统反激式电路相比，此设计具有板尺寸更小、BOM 最低、无需光耦合器等特点。此款设计非常适合需要偏置电源的应用。综合考虑采用方案二。1.4单片机模块的论证和选择方案一: 采用凌阳的16位单片机进行数据测量。凌阳的16位单片机具有丰富的资源、指令周期短、工作速率快、低功耗、低电压、可编程音频处理等优点，完全适合于对开关电源的控制。方案二: 采用STC89C52单片机进行测量。STC89C52虽然处理速度和所拥有的资源上不如凌阳单片机,然而其基本能够完成一些简单的数据处理.其运算速度已经可以满足控制开关电源的需求,而且具有价格低廉、使用简单等优点。基于上述分析，选择方案二。2系统理论分析与计算 2.1 电路的分析2.1.1 Boost变换器Boost变换器由Q1、电感L1、二极管D1和输出电容C0组成，原理框图如图1所示：图1 Boost调整器原理框图工作原理：在Vdc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 3-1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Vdc且L1经D1向C0充电，使C0两端电压高于Vdc，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Vdc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 PFC UCC28019主要用于AC/DC，如服务器，通讯整流模块，工业电源等。仅用一支8PIN的IC及少数外围元件即可解决问题。外部元件非常简捷。主要特色如下:l 不用检测线路电压。l 内部定频在65KHz，易于处理EMI。l 最大占空比达97%。l 逐个周期峰值电流跟制。l 开环检测。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8所示，引脚功能介绍如下GND GATE ICOMP VCC ISENSE VSENSEVINS VCOMP12348765图2 UCC28019的引脚排列表3.1 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3所示：图3 UCC28019内部结构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tOFF，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gmv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 隔离电路LM5017可构成隔离型偏置电源。LM5017 稳压器集成了创建隔离型转换器所需的高、低侧电源开关。其输入电压范围为36V 至75V。电路图如下：此电路特点：l 36V 至 75V 输入l 初级侧输出：40mA 时 10V 输出l 次级侧输出 1：80mA 时 5Vl 次级侧输出 2：120mA 时 10V2.2电路的计算 首先，确定最大输出平均电流，IOUTMAX。最大输入RMS线路电流 IIN_RMSMAX，有： 基于以上计算，最大峰值输入电流IIN_PEAK和最大平均输入电流IIN_AVGMAX如下： 2.2.1 桥式整流器基于以上计算，最大峰值输入电流IIN_PEAK和最大平均输入电流IIN_AVGMAX如下： 假设二极管的正向压降VF_BRIDGE是0.95V，整流桥的损耗是： 2.2.2 输入电容UCC28019是连续电流型PFC控制器。其电感纹波电流按照允许有20%的高频纹波因子VRIPPLE和6%的最大输入电容值CIN计算之，首先确定输入电流纹波IRIPPLE和电压的纹波VIN_RIPPLE。 输入的X电容现在可以计算如下： 2.2.3 升压电感确定最大峰值电感电流I L_PEAKMAX之后，决定电感值LBST。 按照最坏情况的占空比50%计算，电感值为： 实际升压电感选择为1.25mH。最大占空比出现在最低输入电压时， 2.2.4 升压二极管二极管的损耗的估计根据其正向压降VF，125OC时的反向恢复充电电荷QRR，选用碳化硅二极管可以节省反向恢复损耗。其损耗是： 2.2.5 开关元件MOSFET的导通损耗在125OC时，按照RMS电流计算，有： 开关损耗按照上升时间估算，以及输出电容的损耗为： 2.2.6 检测电阻根据内部非线性功率限制的增益，RSENSE的大小受限于软过流触发，要高于最大峰值电感电流的25%，用SOC的最小阈值VSOC： 采用两只电阻并联，选为： 电阻的功耗为： 对于峰值电流限制，PCL保护特色其在流过其电流产生的压降等于其阈值VPCL时，用最坏情况分析，用最大的VPCL。 为了保护器件能承受冲击电流，用标准220m电阻。与ISENSE端串联，用1000pf电容紧靠器件改善噪声。2.2.7 输出电容输出电容COUT的大小要满足变换器保持时间的需要，假设下面的变换器在一个线路周期内t HOLDUP=1/f LINE(MIN)，保持PFC级不低于300V，计算的电容值如下：这是可建议的值，考虑到电容有+/-20%的偏差，选择270uF。设置最大峰峰值输出纹波电压必须少于输出电压的5%，要确保纹波电压不会触及OVP和UVP，最大峰峰值纹波电压出现在线路频率的二倍处，纹波电流计算如下： 在两倍线路频率处所需的纹波电流比率是： 还有更高频纹波电流通过输出电容： 在输出电容上整个的纹波电流作为选择输出电容的根据。 输出电压设置点 为减小功耗及减小设置电压的误差，推荐用1M作为高端的反馈分压电阻RFB1，采用多个电阻串联，减小每个电阻承受的电压，用内部5V基准计算底部分压电阻RFB2，以满足输出电压设置点的目标。 用13K给RFB2，此时输出电压值设置在24V。 过压保护OVD，在输出电压超出5%时动作。 欠压保护UVD，也在输出电压低于5%时动作。 用一个小电容放于VSENSE到GND，用于滤除噪声，防止高线空载时的误触发，增强动态响应。限制此电容值，RC时间常数要小于0.1ms。以便不会减少控制环的响应时间。 环路补偿 补偿元件的选择对于采用UCC28019的电流环和电压环很容易设计计算，用TI的网站工具即可。电流环补偿首先确定内部环的变量乘积M1*M2，用内部控制器的常数K和KFQ。 VCOMP的工作点可以从图4中找出，设计计算延伸，使用户可以重复选择合适的VCOMP值。对于给出的M1*M2的值0.372us，VCOMP大约等于4。 独立的环路因子M1是电流环的增益因子。M2是电压环的PWM的斜波的斜率。用下面的条件计算。 M1电流环的增益因子： M2的PWM的斜波斜率： 核实各自的增益因子的乘积，要大约等于上面定出的M1*M2，如果不是，则重新计算M1*M2。 图4 M1，M2与VCOMP的关系曲线 现在可以计算可变的非线性增益因子M3。 电流平均极点的频率f IAVG选择在9.5KHz，ICOMP所需要的电容CICOMP用内部电流放大器的跨导增益gmi来决定。 电流环的传输函数可以写出如下： 图5 电流环的增益幅频特性曲线 电压传输函数GVL(f)的开环包括电压反馈增益GFB与功率级脉宽调制器的增益GPWM_PS的乘积。其包括脉宽调制器到功率级的极点f PWM_PS，结果示于图6。 图6 开环电压传输函数的增益频率特性 电压误差放大器补偿用一个零点f ZERO，在f PWM_PS的极点和f POLE位于20Hz处，抑制噪声，并滑移出增益幅度。整个电压环的覆盖频率f V希望在10Hz处。电压误差放大器的补偿元件根据下面的计算选择。 从图15和设计计算扩展表来看，电压传输函数的开环增益在10Hz处大约是0.709dB，估计并联电容CVCOMP_P比串联电容CVCOMP略小一些，单位增益将在f V处，零点将在f PWM_PS处，串联补偿电容由下式决定。CVCOMP选择3.3uF。 RVCOMP选择33K。 CVCOMP_P选择0.22uF。 整个闭环传输函数将两极合并给出,如图6。 图7电压环幅频特性 增益表达式如下： 布朗输出保护 选择给VINS端的电阻分压器不仅为减小损耗，还要给VINS极低的偏置电流。RVINS可能要几百兆。实际目标选用10M。假设大约150倍的偏置电流流过电阻分压器。RVINS将小于10M。为了减低噪声，仍旧保持最小功耗，布朗保护在输入低于最小电压VAC(OFF)时关断驱动输出。在输入升到VAC(ON)时再开启。 选择6.5M。 VINS上的电容CVINS选择时考虑其放电时间要大于输出电容的保持时间。COUT的选择要满足保持时间，为2.5倍的半线路周期。 、3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图 降压全桥整流AC/DC变换输出PFC功率校正A/D采样STC单片机LCD显示 系统总体框图3.1.2 主控制子系统框图与电路原理图1、隔离子系统框图图7 隔离子系统电路2、主控制子系统电路图8 主控制子系统电路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键盘的设置和显示。1）显示部分：具有工作参数显示功能，可显示每个电源模块的输入输出电压、电流4项参数，测量精度优于1.0%。参数测量和显示电路仅是一辅助电路，关闭这部分电路不会影响电源的基本功能，前述有关效率的测量是在关闭这部分电路的情况下进行。2、程序设计思路通过采样，STC89C52进行简单的数据计算，在显示换算后的电压电流值。3.2.2程序流程图程序流程图：LCD显示STC单片机A/D采样输出4测试方案与测试结果4.1测试方案4.1.1 硬件测试（1）在额定输入电压下，输出电流调节范围： 。调整输出电流