单相AC—DC变换电路设计报告

单相单相 AC DCAC DC 变换电路设计报告变换电路设计报告 摘要 摘要 有源功率因数校正 Active Power Factor Correction 简称 APFC 技术因能提高电力电子 装置网侧功率因数 降低线路损耗 节约能源 减少电网谐波污染 提高电网供电质量等优点 在许多 行业中得到广泛的应用 本系统采用有源功率因数校正 APFC 方法 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接近于 0 功率因数接近于 1 从而实现高功率因数电源 系统采用 UCC28019 作为控制芯片 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于 1 功率因素大于 0 98 效率接近于 93 9 且采用 MCU 对整个系统进行监测 可测量输出功率 功率因数以及可设置输出电压等功能 系统在 设计时从布局布线和滤波等方面消除电磁干扰 能够实现输出电压 电流 功率因数的测量及中文 显示功能 关键词关键词 APFC AC DC 转换 UCC28019 BOOST 电路 Abstract Active power factor correction APFC technology for increasing power electronic device power factor decrease line loss save energy reduce harmonic pollution improving the quality of power supply and other advantages is widely applied in many industries This system uses the active power factor correction APFC method to control the input current boost circuit of main circuit topology of BOOST enables it to achieve the same frequency and phase with the input voltage difference is close to 0 power factor is close to 1 in order to achieve high power factor power The system adopts UCC28019 as the control chip and improve the power factor of power supply with good voltage regulation and load regulation the input current waveform distortion is less than 1 power factor greater than 0 98 the efficiency is close to 93 9 and the use of MCU to monitor the whole system capable of measuring the output power power factor and can set the output voltage and other functions System design from the layout and filtering to eliminate electromagnetic interference can realize the measurement and Chinese output voltage current power factor display function KeywordKeyword APFC AC DC conversion UCC28019 boost circuit 1 方案设计与论证 2 1 1 总体方案设计与比较 2 1 2 PFC 控制方法分析及实现方案 4 1 2 1 PFC 控制方法分析 4 1 2 2 实现方案 5 2 理论分析 5 2 1 提高效率的方法 5 2 2 功率因素调整方法 5 2 3 稳压控制方法 5 3 电路设计与计算及程序设计 6 3 1 主回路器件的选择及参数计算 6 3 2 PFC 控制电路外围参数计算 7 3 3 输出设定电路的设计 8 3 3 1 输出过流保护电路的设计 8 3 3 2 数字设定及显示电路设计 8 3 3 3 外加电源及基准的设计 8 3 4 软件设计 9 4 测试方法与测试结果 9 5 结论 11 附录一 参考文献 11 附录二 总电路图 12 附录三 程序 13 附录四 元器件清单 17 附录五 电路测试波形 18 1 方案设计与论证方案设计与论证 1 1 总体方案设计与比较总体方案设计与比较 方案方案1 1 采用UC3854控制的功率因数校正 该方案采用当前应用最为广泛的升压式Boost电路拓扑 一般情况下都采用电流连 续型控制 UC3854N AN BN系列是常用的控制芯片 利用它可以将PF提高到0 99以上 然而在实际中却常常存在如输出电压飘升 尖端失真 功率管击穿等问题 UC3854控制 的功率因数校正电路图如图1所示 图1 UC3854控制的功率因数校正电路图 方案方案2 2 采用通过MCU或DSP编程控制完成系统的功率因数校正 MCU时刻检测输入 电压 输入电流以及输出电压的值 在程序中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 框图如图2所示 图 2 MCU 控制方案结构框图 采用数字控制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 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 还要注意控制器和主电路的隔离和驱动 方案方案3 3 采用UCC28019控制功率因数校正 UCC28019是一款8引脚的连续导电模式 控制器 只需要外接少量元件就可做到PFC调整器 采用专门的PCF电路能从根本上消 除谐波源 该器件具有较高的输入范围 可利用平均电流控制模式使输入电流波形畸 变较低 使外围电路电路网络变得简单 它还具有输入欠压保护 输出过压保护 过 流保护 软启动及过载保护等 但其电路调试麻烦 UCC28019控制功率因数校正电路 图如图3所示 图3 UCC28019控制功率因数校正电路图 方案选定 对以上方案比较 方案2采样频率达不到要求 方案1和方案3都能达到试题 要求 但方案3外围电路比较简单 容易实现试题要求 且稳定性比方案1更好 所以 我们选择方案3 系统框图如图4所示 图4 系统总体方案框架图 1 2 PFC 控制方法分析及实现方案控制方法分析及实现方案 1 2 1 PFC 控制方法分析控制方法分析 在开关电源中大容量的滤波电容是导致输入电流畸变引起功率因数降低的主要原 因 使输入电流正弦化 并与输入电压同相位 可提高输入电源的功率因数 简称功 率因数校正 PFC PFC 有两种控制方法 1 无源 PFC 也称被动式 PFC 无源 PFC 一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来 提高功率因数 但无源 PFC 的功率因数不是很高 只能达到 0 7 0 8 2 有源 PFC 也称主动式 PFC 有源功率因数校正简称 APFC 主要控制输入电流呈正弦波变化 且与输入电压之 间的相位差尽可能接近为 0 即功率因数接近为 1 按照输入电流的控制 有源功率因 数校正有以下几种方法 1 平均电流型 工作频率固定 输入电流连续 CCM 2 滞后电流型 工作频率可变 电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作 使输入电流上升 下降 电流波形平均值取决于电感输入电流 3 峰值电流型 工作频率变化 电流不连续 DCM 4 电压控制型 工作频率固定 电流不连续 1 2 2 实现方案实现方案 本系统选用的是有源平均电流型控制 该控制方式有以下优点 a 恒频控制 b 工作在电感电流连续状态 开关管电流有效值小 EMI 滤波 器体积小 c 能抑制开关噪声 d 输入电流波形失真小 2 理论分析理论分析 2 1 提高效率的方法提高效率的方法 I 整流二极及续流二极管用快恢复低消耗的肖特基二极管代替 II 开关管采用电阻小 流过电流大的IRF064IRF064 III 采用UCC28019UCC28019作为控制环路芯片 IV 采用小的取样电阻 2 2 功率因素调整方法功率因素调整方法 主电路的输出直流电压信号Vo和基准电压Vr比较后 送入电压误差放大器VEA 得 到VCOMP引脚电压该电压决定了GMI网络的增益和PWM比较器的参考三角波的斜率 输入 电流经采样电阻转化为电压信号 电压信号经放大器放大送入GMI网络以实现输入平均 电流的采样 得到的信号与三角波进行比较得到特定占空比的PWM波 特定占空比的 PWM波保持输出电压稳定 2 3 稳压控制方法稳压控制方法 利用UCC28019的电压反馈电路进行稳压电路 3 电路设计与计算及程序设计电路设计与计算及程序设计 3 1 主回路器件的选择及参数计算主回路器件的选择及参数计算 由题可知 主电路采用 Boost 主电路结构 主电路如图 5 所示 交流 220V 输入 经过 EMI 滤波 隔离变压器选择 150W 24V 输出的隔离变压器 R1 为采样电阻阻值为 0 1 欧 整流桥采用四个肖特基二极管搭成 R5 取样电阻检测电感中的流过的电流 GND 1 ICOMP 2 ISNESE 3 VINS 4 VCOMP 5 VSENSE 6 VCC 7 GATE 8 U UCC28019 D 准准准 F R 0 1R 100uH L R 1M R 0 05 D STPS20L45CT Q IRF064 R 10R R 10k C 2200uF C 2200uF C 2200uF C 0 47uF R 220R C 1000pF C 47uF C 0 1uF C 0 47uF C 10uF R 30K R 200K R 1M DGND DGND R 0R D STPS20L45CT D STPS20L45CT D STPS20L45CT D STPS20L45CT D STPS20L45CT 220V R 200K C 1000pF 2 1 IP LOAD GGND GGND R 1M R 1M 100K R QV 0 1R R QGND QI 0 1R R AD DC变换电路 36V DC GAGB 图 5 主电路电路图 根据设计要求根据设计要求 输出电压 电流 输入电压最小值 输入 o UV 362IoA VUi20 min 电压最大值 设系统效率为 0 95 功率因数为 0 99 VUi30 max 因此输入电流有效值为AIi83 3 99 0 95 020 236 峰值电流为AAII ipeak 412 583 3 414 12 纹波电流为AAIII peakrippleripple 08 1 412 5 20 最大纹波电压为VVUUU irippleripple 697 1 20414 1 62 min max 1 1 升压电感值 升压电感值 电感峰值电流为 AAIII ripplepeak peake L 916 5 2 08 1 412 52 取 0 2mH mH KIf DDU L ripplesw O 135 0 08 1 65 5 05 038 1 min 2 2 开关管的选择 开关管的选择 电路工作频率为 65KHz 故电感的参数为 0 2mH 最大电流 6A 开关管要求工作在 65KHz 导通电阻要小 基于上述要求 本设计采用 Vds 55V Id 25A Rds 8m 的 MOSEFT 管 IRF064 这完全满足设计要求 3 3 续流二极管的选择 续流二极管的选择 由于本电路采用 BOOST 拓扑结构 因此续流二极管的选择非常重要 在电路中受 输出大电容的影响 续流二极管应满足最大整流电流大于 12A 最大反向电压大于 72V 受储能电感及开关管的影响 续流二极管的反向恢复时间要尽量小 鉴于此要求 本设计采用肖特基二极管作为续流二极管 它的反向恢复时间完全达到设计要求 实 际使用效果不错 4 4 电感电流采样电阻电感电流采样电阻 089 0 25 1916 5 66 0 25 1 3 peakL soc s I U R 实际采用康铜丝做采样电阻 阻值为 0 08 欧左右 5 5 输出滤波电容 输出滤波电容 uF msW UU tP C holdupo holdupo 2222 25 1 36 20722 2 22 min 2 min 4 实际取 3 个耐压为 50V 的 2200uf 电解电容并联 可有效降低电容的等效串联电阻 3 2 PFC 控制电路外围参数计算控制电路外围参数计算 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 0 99 以上 特别适用于 BOOST 升压 电路 输入电压范围宽 输出功率大 FPC 控制的电路图如图 6 所示 图 6 PFC 控制的电路图 控制电路 12V 电压供电 图中 R6 和 C5 对输入电压值进行滤波 R6 采用 220 欧的电阻 C7 取 1000pF 4 是电流环的补偿电容 取值 1000pF C6 输入电压采样后的滤波电容 取值 0 47uF C9 C10 R11 为电压环的补偿环节 R8 取值 30K C10 取值 10uF C9 取值 0 47uF R9 R12 都为最大阻值 200K 的滑动变阻器 3 3 输出设定电路的设计输出设定电路的设计 3 3 1 输出过流保护电路的设计输出过流保护电路的设计 本系统要求有过流保护功能 输出电流为 2 5A 时电路自动保护 鉴于此要求采 UCC28019 芯片内部的封锁功能 电流经过采样 放大比较后经 UCC28019 的 VINSINS 引 脚 4 检测是否大于 2 5A 过流保护电路图如图 7 J DC28V准准准 36V DC 15V Q Q D882 准准准 D LED0 330R R 2 3 6 4 5 1 7 8 V V O U5 UA741 10k R 10k R 10k R 15V Q DGND GA GB 15V Q U B LM 393 10K R DGND D 1N4148 10K R 10uF C 过流保护电路 图 7 过流保护电路图如图6 3 3 2 数字设定及显示电路设计数字设定及显示电路设计 本系统采用 JHD529m1LCD128164 带字库的液晶显示器 支持串行和并行模式 我 们采用并行模式与 MCU 相连 显示电路图如图所示 图 8 显示电路图 3 3 3 外加电源及基准外加电源及基准的设计的设计 外加电源提供给 APFC 因素监测电路以及单片机控制电路 本系统采用三端稳压芯 片 LM7815 LM7805 LM7915 和 LM7905 设计 电路设计简单 三端稳压构成的线性 电源纹波小 输出电压稳定 抗干扰能力强 外加电源输出 15V 12V 5V 基准为 2 5V 有关电路图详见附录一 3 4 软件设计软件设计 系统软件设计分为两大部分 包括输出检测及显示 功率因数检测 设计流程如 图 9 所示 程序见附录二 图 9 软件设计的流程图 4 测试方法与测试结果测试方法与测试结果 4 1测试仪器 测试仪器 50 2A 可调滑线变阻器 五位半数字万用表 数字式单相电参 数测量仪 4 2测试方法及测试结果 测试方法及测试结果 4 2 1 负载调整率测试负载调整率测试 负载采用 200 3A 可调滑线变阻器 待系统进入额定状态 输入电压保持恒定 24V 不变 时 调节滑线变阻器 改变输出电流 用 UT39A 数字万用表监测输出负载电 压 具体数据如表 1 所示 测试次数 1234 输出电流 A 0 21 01 52 0 输出电压 V 36 0035 9435 9235 89 表 1 负载调整率测试表 由上表可根据以下公式求得负载调整率 0 003 36 89 3536 100 o 1 o1o2 I U UU S 4 2 2 电压调整率测试电压调整率测试 采用 50 2A 可调滑线变阻器作负载 待系统进入额定状态 输出电流为 2A 时 改变输入电压 用五位半数字万用表监测输出负载电压 记录电压数据如表 2 所示 测试次数 12345 输入电压 2023252730 输出电压 35 9235 9636 0036 0136 04 表 2 电压调整率测试表 根据相关公式可计算出电压调整率 003 0 100 36 92 3504 36 100 36 U U S o1o2 U 4 2 3 输入功率因数测试输入功率因数测试 负载采用 50 2A 可调滑线变阻器 使系统达到额定状态 用数字式单相电参数 测量仪测功率功率因数 记录因数测试数据如表 3 所示 测试次数 1234 测量仪显示 功率因数 0 9870 9920 9960 981 表3 输入功率因数测试 4 3 元器件清单见附录三 元器件清单见附录三 5 结论结论 经测试该电路能有效的提高电源的效率 但由于在电路工作时 交流电经桥式整 流后并不能得到很平滑的波形 仍存在一定的误差 而UCC28019内部工作原理是 电 流调节为平均电流采样模式 跟踪电压波形的电流波形经滤波放大后与三角波比较 所以整流后失真电压波形引起纹波误差 这个误差将导致输出PWM波误差 若芯片在设 计上能将此误差考虑在内 设计效果会更佳 附录一附录一 参考文献参考文献 1 谭浩强 C 程序设计 谭浩强著 3 版 北京 清华大学出版社 2005 2007 重印 2 谢维成 杨家国 单片机原理与应用及 c51 程序设计 清华大学出版社 2009 7 3 臧铁钢 唐才峰 陈学锋 ProtelDXP 电路设计与应用 北京 中国铁道出版社 2005 5 4 康华光 陈大钦 张林 模拟电子技术基础 北京 高等教育出版社 2012 3 5 周志敏 周纪海 纪爱华 开关电源功率因数校正电路设计与应用 北京 人民邮 电出版社 2004 11 6 美 Sanjaya Maniktala 著 王志强 等译 精通开关电源设计 北京 人民邮 电出版社 2008 10 7 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 北京 电子工业出版社 2009 1 液晶显示 功率因数 0 9710 9820 9890 990 附录二附录二 总电路图总电路图 VSS1 VDD2 VO 3 RS 4 RW5 E 6 RB07 RB18 RB29 RB3 10 RB4 11 RB5 12 RB6 13 RB7 14 PSB 15 NC 16 RST 17 NC 18 BLA 19 BLK 20 QC12864F RS RW E RS RW E MGND 10K R MGND RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 VCC MGND NC 1 VCC 2 XL 3 GND4 Y 准准准准 5K R 10K R 10uF C MGND 5V 3 1 2 D TL431 10uF C MGND 5V2 5V准准2 5V准准 VCC 40 GND20 ADC0 P1 0 1 ADC1 P1 1 2 ADC2 P1 2 3 ADC3 P1 3 4 ADC4 P1 4 5 ADC5 P1 5 6 ADC6 P1 6 7 ADC7 P1 7 8 P0 0 AD0 39 P0 0 AD1 38 P0 0 AD2 37 P0 0 AD3 36 P0 0 AD4 35 P0 0 AD5 34 P0 0 AD6 33 P0 0 AD7 32 P2 0 AD8 21 P2 1 AD9 22 P2 2 AD10 23 P2 3 AD11 24 P2 4 AD12 25 P2 5 AD13 26 P2 6 AD14 27 P2 7 AD15 28 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL1 19 XTAL2 18 RET P4 7 9 NA P4 4 29 ALE P4 5 30 EX LVD P4 6 31 U STC 12C5A60S2 5V MGND 1uF C 0 1uF C MGND U A LM393 U A TL082 5V Q 5V Q 0 1uF C 10K R 10K R 0 1uF C U B LM393 10K R 10K R U A CD4011 U C CD4011 U B CD4011 220R R 5V MGND GND 1 ICOMP 2 ISNESE 3 VINS 4 VCOMP 5 VSENSE 6 VCC 7 GATE 8 U UCC28019 D 准准准 F R 0 1R 100uH L R 1M R 0 05 D STPS20L45CT Q IRF064 R 10R R 10k C 2200uF C 2200uF C 2200uF C 0 47uF R 220R C 1000pF C 47uF C 0 1uF C 0 47uF C 10uF R 30K R 200K R 1M DGND DGND R 0R D STPS20L45CT D STPS20L45CT D STPS20L45CT D STPS20L45CT D STPS20L45CT 220V R 200K C 1000pF 2 1 IP LOAD GGND GGND 5V 5V 5V QGND QGND QGND QGND 5V Q 5V Q 5V Q R 1M R 1M 100K R QV QI 0 1R R QGND QI TPF TPF 0 1R R U A TL082 5V Q 0 1uF C 10K R 10K R 0 1uF C QV VinVout GND VR 7805 47uF C 10uF C 0 1uF C MGND 15V Q NC 4 2 2 3 3 7 7 5 5 8 8 1 1 6 6 U TLP250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R resistX8 5V 5V Q QGND 5V AD DC变换电路 MCU控制电路 功率因数采样电路 液晶显示电路 MCU供电和2 5V基准电路 J DC28V准准准 36V DC 36V DC 15V Q Q D882 准准准 D LED0 330R R GAGB 2 3 6 4 5 1 7 8 V V O U5 UA741 10k R 10k R 10k R 15V Q DGND GA GB 15V Q U B LM393 10K R DGND D 1N4148 10K R 10uF C 过流保护电路 1 2 P Header 2 220V F Fuse 1 VinVout GND VR 7805 VinVout GND VR 7905 D 准准准 47uF C 47uF C 0 1uF C 0 1uF C 10uF C 10uF C QGND 5V Q 5V Q 1000uF C 1000uF C 1K R D LED0 1K R D LED0 准 准 正负5V电源电路 1 2 P Header 2 220V F Fuse 1 VinVout GND VR 7805 VR 7905 D 准准准 47uF C 47uF C 0 1uF C 0 1uF C 10uF C 10uF C QGND 15V Q 15V Q 1500uF C 1500uF C 1K R D LED0 1K R D LED0 准 准 正负15V电源电路 附录三 程序附录三 程序 JHD529m1 c include void lcd busy 忙检测 RS 0 RW 1 E 1 Lcd Bus 0 xff while Lcd Bus E 0 void delay uchar t 延时子程序 uchar x while t for x 0 x 120 x void write com uchar cmd 写命令到 LCD lcd busy RS 0 RW 0 E 1 Lcd Bus cmd delay 5 E 0 delay 5 void write data uchar Dispdata 写数据到 LCD lcd busy RS 1 RW 0 E 1 Lcd Bus Dispdata delay 5 E 0 delay 5 void lcdreset 初始化 LCD 屏 write com 0 x30 delay 10 选择基本指令集 write com 0 x30