单相AC-DC转换电路

2013 年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】队号：SZ017单相AC-DC变换电路摘要：本系统基于有源功率因数校正(PFC)芯片UCC28019及单片机AT90C516，设计并制作了单相AC-DC变换电路。系统电路主要包括六个模块：变压器模块、功率因数校正模块、过流保护和报警模块、相位测量模块、单片机显示和控制模块、辅助电源模块。变压器由自耦变压器和隔离变压器构成，可实现2030V可调的交流电压；功率因数校正模块通过UCC28019芯片内部电压和电流双闭环控制实现输出直流电压36V，最大输出电流可达到2.5A；过流保护模块采集输出电流，当电流超过2.5A，单片机控制继电器关断电源，以达到断电的目的，同时报警电路提示；相位测量模块采集输入端的电压、电流，经过零检测和A/D转换，至单片机AT90C516显示。辅助电源模块为UCC28019、单片机提供电源。测试表明，本文设计的单相AC-DC变换电路可实现输入功率为37.5W，输出功率为30W，效率为80%，功率因数为0.98，很好地实现了本次竞赛“单相AC-DC变换电路”的各项指标，具有良好的人机界面。关键词：AC-DC；功率因数；相位 Abstract: The system is base on UCC28019 which is an active power factor connection chip and MCU AT90C516, in order to design single-phase AC-DC conversion circuit. The system has six modules including a transformer module、PFC module、an overcurrent protection and alarm module、a phase measuring module 、a MCU module which is used to measure and display and an auxiliary supply power module. The transformer module is consisted of an autotransformer and an isolation transformer, it can output a volage ranged from 20V to 30V. The PFC module is based on UCC28019, it is able to output 36V and maximum current 2.5A. The overcurrent protection module collect output current 2.5A, when the current is over2.5A, the MCU will control the relay to cut off the power, the alarm circuit will give a hint at the same time. The phase measuring module collect input volage and input current, after zero-cross detection and A/D conversion. The AT90C516 will display the results. The auxiliary supply power module is used to providing volage to the chips. According to the measurement, the input power is 37.5W,the output power is 30W,the efficiency is 80%,the PFC is 0.98, it complete the indexes perfectly, and has a good man-machine interface.Keyword: AC-DC; PFC; phase;目录一 方案比较与论证2 1PFC校正电路22相位测量电路33过流保护3二理论分析与计算41PFC控制电路的参数计算42相位测量电路的参数计算5三电路与程序设计51硬件电路设计52软件设计8四测量方案与测试结果91功率因数测量的方案92测量仪器及测量方法103测量数据11五、总结13六、 参考文献13附录14一、设计任务141、任务142、 要求14二、本系统采用的芯片概述151、UCC28019152、TLC372153、 TLC254316三、 元件清单16四、 总原理图17五、 源程序18一 方案比较与论证1PFC校正电路方案一：无源功率补偿法。其基本原理是把具有容性功率负载与感性功率负载并联接在同一电路中。当容性负载释放能量时，感性负载吸收能量；而当感性负载释放能量时，容性负载吸收能量。能量在两种负载之间交换，感性负载所吸收的无功功率可从容性负载输出的无功功率中得到补偿。通常采取的方法是并联电容法，但是由于无源功率补偿其功率因数一般只能达到70%左右，不具有良好的补偿特性。方案二：有源功率因数校正。过有源电路（主动电路）让输入功率因数提高，控制开关器件让输入电流波形跟随输入电压波形，常用有源功率因数校正电路分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类，其中，连续电流模式控制型主要有升压型(Boost)、降压型(Buck)、升降压型(Buck-Boost)之分；非连续电流模式控制型有正激型(Forward)、反激型(Fly back)。 本设计采用方案二的有源功率因数校正，UCC28019基于升压型(Boost)。2相位测量电路方案一：鉴相-低通滤波法。待测的两路信号分别经过电压比较器整形为方波信号，送至鉴相器，将相位转变为电压，电压的直流成分反映了两路信号的相位差。将输出电压经过低通滤波器取出直流成分，送到A/D转换器进行数据采样，这样就能计算出两路信号的相位差。这种方法操作简单，可以测量频率较高信号的相位差，但是由于存在滤波器，因此精确度不高，测量速度较慢。方案二：积分法。为了消除低通滤波器引入的误差，将异或鉴相器输出的异或脉冲送到积分器积分，当积分电压达到设定值时，再通过一个回路放电，并测量充电、放电的时间。被测信号的相位差越大，鉴相器的异或脉冲越宽，充电时间越短，也就是说相位差和充电时间成反比。另外，因为设定的放电电压和放电回路是确定的，也就是说放电的时间是恒定的。这种方法测量的精度较高，而且与被测信号的频率关系不大，可以测量高频信号的相位差，但是这种方法对积分电路和放电电路的要求很高。方案三：计数法。计数法的思想是将相位量转换为数字脉冲量，对数字脉冲进行测量而得到相位差，该方法精度较高，电路形式也比较简单，易于实现。计数法的实现是通过将被测电压、电流信号放大后，分别经过零比较器，对输出的方波进行异或操作，所得脉冲的占空比反映相位差的大小，利用基准源脉冲测量该脉冲宽度。 本设计选择方案三的计数法测量相位。3过流保护方案一：基极驱动电路的限流电路。利用基极驱动电路将电源的控制电路和开关晶体管隔离开关。控制电路与输出电路共地，限流电路可以直接与输出电路连接，当输出过载或者短路时三极管导通，基极电阻两端电压增大，并与比较器的基准电压比较。控制PWM信号通断。电路所用元器件较少，易于调试，但是保护性能差、功耗大、对效率影响较大。方案二：比较器输出控制继电器关断电源。采样电流电阻上的电压放大，并利用比较器进行电压比较，进而控制继电器关断电源。电路所用元器件少，保护性能好，功耗较小。综合考虑选择方案二，采用比较器输出控制继电器关断电源。本设计的系统架构框图如图1。图1 系统架构系统电路主要包括六个模块：变压器模块、功率因数校正模块、过流保护和报警模块、相位测量模块、单片机显示和控制模块、辅助电源模块。电路输入220V交流信号经变压器，变压器由自耦变压器和隔离变压器构成，可实现2030V可调的交流电压；功率因数校正模块通过UCC28019芯片内部电压和电流双闭环控制实现输出直流电压36V，最大输出电流可达到2.5A；过流保护模块采集输出电流，当电流超过2.5A，单片机控制继电器关断电源，以达到断电的目的，同时报警电路提示；相位测量模块采集输入端的电压、电流，经过零检测和A/D转换，至单片机AT90C516显示。辅助电源模块为UCC28019、单片机提供电源。二理论分析与计算1PFC控制电路的参数计算（1）输出功率首先设计要求是输出DC电压36V，输出最大电流2A，因此电源的输出功率： （1）（2）输入电容（查28019数据表，） （2）（3）采样电阻 （3）（4）最小储能电感 （4）（5）最小储能电容 （5）（5）感应电阻网络（由和串联）假设反馈电流，因此设定，查表得，则： （6）上述是PFC中关键元器件参数的计算，因此以该参数作为参考选择元器件。2相位测量电路的参数计算比较器的同相输入端通过一个限流电阻1K分别接50Hz的电流电压信号。三电路与程序设计1硬件电路设计（1）AC-DC变换电路该电路包括变压器、全桥整流电路。变压器将220V交流电压转换为24V交流电压，经全桥整流电路对交流正弦电压进行整流得到直流24V电压。原理图如图2 。图2 （2）PFC控制电路该电路基于TI的UCC28019实现功率因数的自适应调整，UCC28019的详细介绍见附录。芯片要通过外加DC12V到。开始由欠压锁定时，芯片处于断电状态。当上升，超过开通门限阀值时，UCC28019开始工作并提供驱动脉冲，由8端输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，开关管导通，经过整流滤波后的电压通过电感、开关管，电感上的电流上升，储存能量，此时输出端电容向负载提供能量；低电压脉冲期间，开关管关断，电感电流下降，部分能量提供给输出端电容同时向负载提供能量。输出端的电压反馈给UCC28019使其控制开关管工作，最终使输出端电压稳定在36V。（3）单片机控制电路该电路基于单片机AT90C516，实现对整个系统进行相位测量、测量结果显示、过流检测及报警控制等功能。单片机控制电路如图3所示。单片机选用24MHz晶振，30Pf电容工作。显示器选用的是12864液晶，并行模式，确保显示数据稳定。AD芯片选取TI的12位芯片-TLC2543，单片机通过模拟SPI串口通信来控制AD采样。过流检测部分，利用单片机输出的高低电平来控制继电器，进而保护电路系统。相位测量利用单片机内部资源中断和定时器，采取填充计数法测量相位。另外还有两个复位键，一个用来复位单片机，使程序指针指向开头，另一个用来复位电路系统，使其从保护状态重新恢复。图3 单片机控制电路（4）相位测量电路该电路是通过采集输入端的电压、电流，分别经过零检测比较器，并将输出信号异或运算送入单片机，进行脉冲宽度（相位）的测量。相位测量电路如图4所示。由于要求测量的信号频率只有50Hz，因此可以考虑使用廉价的52单片机来实现。具体方法位：填充计数法。此种方法的弊端就是精度和时钟频率息息相关。因此，晶振频率越高越好，但是另一方面，晶振频率越高，单片机功耗越大。最终我们选择了24MHz的晶振。按照以往的方法，需要开启两个外部中断和一个定时器。这就涉及到中断的嵌套问题，增加了逻辑上的复杂性。其实，从52单片机开始，内部就有了一个增强版本的定时器（计数器）T2。T2具有捕获功能，能够在外部信号的下降沿迅速把计数器的值转移到寄存器RCAP2H与RCAP2L。利用这个优点，我们在电压方波的下降沿打开外部中断0，在中断中迅速打开定时器T2，不久定时器2的下降沿捕捉中断来到，寄存器RCAP2H与RCAP2L的值代表着相位差N。因为频率一直50Hz，因此相位差=N/40000*360,从而求得功率因数。图4 相位测量电路（5）过流保护和报警电路该电路通过单片机实时采样输出电流。当电流过大时，通过运放放大反馈信号给单片机，单片机控制继电器模块使其断开，系统断电，同时给予报警提示。过流保护原理图如图5所示。图5 过流保护原理图2软件设计本设计的程序采用C语言编程实现对整个系统的控制，程序流程图如图6所示。图6 软件程序图四测量方案与测试结果1功率因数测量的方案方案一：利用交流采样法直接计算有功功率，电压、电流有效值。其计算公式为：有功功率，电压有效值。由公式（S视为视在功率）计算出功率因数。该方案比较复杂，并且为了保证计算精度，即每个周期采样点数一定，倘若待测信号的频率的频率变化时，就必须用到锁相环倍频控制A/D的精确采样，这样又增加了硬件的复杂度，并且此方案会改变电驴本身的完整性。方案二：相位差测量法。利用电压、电流互感器分别对电压、电流信号进行提取，经过比较器整形后，通过相位差测量测出电压、电流的相位差，在通过一个余弦运算就可以得到功率因数。根据公式（Q表示无功功率）。相位差测量法易于操作，而且通过等精度测相法，可以达到很高的测相精度，能够很好地满足题目要求。本方案不会改变电路的走向，利用互感方式可以很好地保持电路的完整性，并且使用更加方便安全。本设计采用方案二的相位差测量法。2测量仪器及测量方法（1）测量仪器数字多用表（Agilent 34401A）、直流稳压电源（GPS3303C）、数字示波器（DP0292）、万用表（DT9205）。（2）测量方法测量方法为先部分后整机。先调试AC-DC的转换、PFC控制电路的参数测量及单片机控制电路，最后进行整机性能的测试。整机性能的测试如下：首先接通变压器电源，用万用表测量确认变压器输出电压，调整负载使，用万用表测量输出电流，输出电压，变压器输出电压，变压器输出电流并记录。调整负载时在0.2A2A范围内变化，看输出电压是否稳定在，并记录当时的输出电压和当时的输出电压。调整变压器使在20V30V范围内变化，看输出电压是否稳定在36V，并记录当时的输出电压和当时的输出电压。3测量数据（1）电压调整率及负载调整率测试（采用万用表测试）电压调整率测试测试方法：采用100/4.5A滑动变阻器当做负载，调节滑动变阻器，使输出电流= 2A的条件下，测试当时的输出电压和当时的输出电压。表1 电压调整率的测试数据 测试次数（V）（V）电压调整率电压调整率的平均值135.9936.000.027%0.038%235.9936.000.027%335.9936.000.027%436.9836.000.056%536.9836.000.056%注：电压负载率负载调整率测试测试方法：采用 100 /4.5A滑动变阻器当做负载，当系统达到稳定时(达到额定输出值时)，调整负载时在0.2A2A范围内变化，看输出电压是否稳定在，并记录当时的输出电压和当时的输出电压。 表2 及负载调整率的测试数据测量次数（V）（V）负载调整率负载调整率的平均值135.9735.980.03%0.034%235.9735.980.03%335.9835.990.03%435.9936.10.05%53636.10.03%注：电压调整率（2） 输入电流失真度及功率因数测试（采用示波器及本系统测试）表2 功率因数的测试功率因数测量（A）功率因数（本系统测量值）功率因数（示波器测量值）误差（%）20.980.971%（3）输出电压、电流的测试（采用本系统测试电路和万用表一起测试）表3 输出电压、电流的误差测试输出电压检测输出电流检测（负载 欧）设定电压（V）（V）显示值（V）测量值误差（%）（A）显示值（A）测量值误差（%）2436.0136.020.13%0.200.215.00%35.9335.950.05%0.300.293.33%35.9535.980.08%0.400.392.50%35.9536.000.14%0.500.512.00%35.9636.000.11%0.600.611.67%35.9736.010.11%0.700.711.47%35.9736.040.19%0.800.811.25%35.9836.050.19%0.900.911.11%36.0036.070.19%1.001.010.01%36.0036.050.14%1.201.232.50%36.0036.060.17%1.401.390.714%36.0236.070.14%1.601.621.25%36.0236.080.16%1.801.810.56%36.0536.080.08%2.001.990.5%（4）输出电路过流保护测试若INA128电流采样电路监测到输出电流大于过流值时，将控制继电器切断输出回路，当电流下降到小于过流值时将恢复导通，具有过流及自恢复功能。经测试本系统在输出电流超过到2.5A时，具有过流保护功能。五、总结综合上述各部分的测试结果：本设计圆满地完成了题目基本部分的要求，还较好地完成了题目发挥的部分要求，系统的功率因数达到了 。各种滤波、隔离措施的综合应用保证了电源稳定工作，减少了输出电压和输出电流的杂波。如果能通过额外的外部电路控制UCC28019即可达到控制电路功率因数的要求。6、 参考文献1黄根春,周丽清,张望先.全国大学生电子设计竞赛教程J.北京电子工业出版社,2012(2).2周德贵巩贝宁.同步发电机运行技术与实践M.北京:中国电力出版社,19963周志敏.开关电源实用技术M.北京:人民邮电出版社,20074罗佳明,戴庆元.Boost变换电路的损耗分析J.电子元器件应用,2007,9(2):64-67.附录一、设计任务1、任务设计并制作如图所示的单相AC-DC变换电路。输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A。 2、 要求（1）在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A条件下，使输出直流电压Uo=36V0.1V。 （2）当Us=24V，Io在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率SI 0.5%。 （3）当Io=2A，Us在20V30V范围内变化时，电压调整率SU 0.5%。 （4）设计并制作功率因数测量电路，实现AC-DC变换电路输入侧功率因数的测量，测量误差绝对值不大于0.03。 （5）具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A0.2A。 3、发挥部分 （1）实现功率因数校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路交流输入侧功率因数不低于0.98。 （2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路效率不低于95%。 （3）能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围不小于0.801.00，稳态误差绝对值不大于0.03。 （4）其他。 二、本系统采用的芯片概述1、UCC28019UCC28019是美国TI公司最新的有源功率因数校正(PFC)芯片。该芯片采用平均电流模式对功率因数进行校正，适用于宽范围通用交流输入，输出为100W至2kW的功率因数变换器。该芯片开关频率固定(65kHz)，具有峰值电流限制、软过流保护、开环检测、输入掉电保护、输出过压欠压保护等众多系统保护功能。其元件内部如图所示。附图1 UCC28019内部电路2、TLC372双路通用差动比较器TLC372拥有两路独立的电压比较器，支持单电源供电和双电源供电。输出时N沟道漏极开路输出，实现了真正的正逻辑连接，TCL372还有超稳定的低输入偏置电压，输入失调电压在最恶劣的输入条件下变化0.23uF/月，同时输出也兼容TTL、CMOS和MOS。TCL372主要特性：l 宽电压范围供电218V；l 5V电源时低漏电流150uA；l TTL输入电平时快速影响200ns；l 高输入阻抗典型值；l 低输入偏置电流典型值5pA；l 超稳定的低输入偏置电压；3、 TLC2543TLC2543是德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系