单相AC-DC变换电路(A)要点

1、竞赛队号：20130207全国大学生电子设计竞赛队员：尹星张柯卢文俊竞赛题号：（A题）单相AC-DC变换电路（A题）（本科组）摘要本系统以STC12C5A60S隼片机最小系统为控制核心，辅以boost升压电 路、功率因数校正电路和功率因数测量电路等组成。该设计利用 IR2104 驱动 IRF540,单片机产PWMfe控制IRF540通断，通过升降压以及反馈控制使输出 电压稳定在36V.通过UCC2801就现对功率因素的校正，利用TLC372外围电路实现对功率因数的测量。 该系统实现了电压的高效率转换， 使电压传送损耗 更小， 更加节能。 功率因数是评价电力设备和仪器性能的重要指标，由于电力 电

2、子装置的应用日益广泛，给当前的电网电压，电能带来了严重的质量问题。本系统采用有源功率因数校正（APFC方法，减小了谐波失真。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！目录1 . 引言 1.2 . 设计方案与论证 1.2-1.系统总体方案 1.2-2方案论证 1.2-2-1升降压电路的选择1.2-2-2PFC 控制电路选择 2.2-2-3过流保护 2.3 . 单元模块设计3.3-1功率因数校正电路3.3-2功率因数测量电路3.3-3主电路及参数计算4.3-3-1开关场效应管及肖特基二极管的选择4.3-3-2 电感参数计算4.3-3-3电容参数计算4.4 软件设计 5.5 数据测

3、试 6.6 系统方案结果分析与总结6.7 附件 7附件1系统电路图 7.附件2系统实物图 8.附件3部分源代码9.1 .引言PFC意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视 在功率）之间的关系，也就是有效功率除以视在功率的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高， 本系统采用TI公司的PFC控制芯片UCC2801刻核心的功率因数校正的基本原 理和实现方法。系统主要由取样电路、功率因数校正以及控制和显示电路几个 模块组成。该设计的特点在于首先通过监测电路对电路进行监测 ，然后根据监测 结果，运用控制电路来调节PFC空制芯片UCC2

4、8019勺电压误差放大器大小，从而 稳定输出设定电压，通过调节电流误差放大器的输入来提高电源功率因数。实践 证明采用APFCt，输出电压纹波大大降低，实现了功率因数校正。2 .设计方案与论证2-1.系统总体方案图2-12-2方案论证2-2-1升降压电路的选择方案1:采用BUCK路与Boost电路相结合的的组合电路，由单片机经 继电器控制需要选择的电路模式，交流电压AC 24V经桥堆后电压会变成大于24V的DC.系统要求输出电压稳定在 36V,此时单片机片经由AD采集转换判断 经桥堆后的的电压是大于 36V还是小于36V,当小于36V时单片机通过继电器选择 boost 升压电路，反之选择 buc

5、k 电路。方案2:直接使用BOOS升压电路可以通过开关管IRF540调节输出的电 压，开关管受AVR单片机产生的PW瞰经由IR2104驱动IRF540的通断，输出 电压Uo=Uin*(D/(1-D)公式中D为PWM的占空比，这种方案简单易行容易上 手。比较以上两个方案，方案二虽然简单易行对于软件的要求也比较低，可以很容易的实现升压。使电路的输出电压稳定在36V. 所以综合以上考虑最终选-kv -择方案二。2-2-2 PFC 控制电路选择方案 1： 无源功率补偿法，其基本原理是把具有容性功率负载的装置与感性功率负荷装置并联在同一个电路中， 当容性负荷释放能量时， 感性负荷吸收能量，而当感性负荷释

6、放能量时，容性负荷吸收能量。能量在两种负荷中交换，感性负荷所吸收的无源功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿。一般才去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达到70%左右，不具有良好的补偿性.方案2：有源功率因数校正, 目的在于改善电源输入功率因数, 减小输入电流谐波.采用一级PFC技术，即将PFC级与DC/DO输入的预稳，实现统一控制，采用TI的UCC28019该芯片通过双闭环完成调制，内环为电流环，在连续电感电流的条件下使平均输入电流跟踪正弦是输出电压成正弦波。系统电压可由该芯片的VSENS脚的输入电压与芯片内部+5v的基准电压决定，实际应用中可以 通过调节反馈回该引脚的

7、电压即可实现输出电压的数字调节。综合以上考虑选择方案二2-2-3 过流保护方案 1： 采用 2.5A 的自恢复保险丝，方案简单易行，满足系统要求。方案2:采用单片机控制继电器达到过流保护的目的，单片机通过片内AD采集系统输出电流，电流超过设定值时，单片机通过I/O 口给继电器一个高电平使继电器跳闸电路断开，从而起到保护电路的目的，这种方法可以有很强的使用性可以满足系统的动作电流从2.3A 到 2.7A, 动作电流范围广。综合以上考虑选择方案二3.单元模块设计3-1功率因数校正电路O口2 1PLHEADER ；：UCC28019FINSd口CAPGMD IQDMP SENSEGATER11，灯快

8、U8MF一亍功率因数校正电路口图3-1根据UCC280195片工作原理可知，其输出的PWMK占空比是根据电压环路的反馈电压输入到VSENS卿与+5V基准电压比较，经差分放大后改变 PWM斗坡的斜率进行调节，则可知系统稳定状态时该引脚的电压一定是5V,根据该特性可以利用电阻的分压比，利用 D/A转换，通过设定最低的电压来控制最终的输出。3-2功率因数测量电路采用相位差测量法，利用电压电流互感器分别对电压电流信号进行提取，然后 用精密仪表放大器INA118对电压电流放大指饱和，经 TLC372整形后，测出相 位差。3-3主电路及参数计算系统主电路包括采用BOOST%路，在 Usmin=20v, U

9、omax=36V|omax=2A时,Pomax= omax*Uomax=72w取输入功率 Pimax=80w,I max=Pmax/Umin=4A, 由此我们的桥堆选择4A耐压600V.完全符合系统要求3-3-1开关场效应管及肖特基二极管的选择在MOST导通时，电流流过 most,肖特基二极管承受反向电压；在 most关 断时，电流流过MOST,肖特基二极管承受正向电压。考虑到系统开启等一系 列动作带来的冲击效应，二者应该满足 Idmax16A;Udss(Umm)72v;IRF540的Idmax=28A,Udss=100v,可以满足系统要求。3-3-2电感参数计算由公式脉动电流与平均电流之比取

10、0.25,开关频率65KHz输出电压36V,则最终电感可取200uH3-3-3电容参数计算Gn二/ripiie次，UN_HippLE（n皿）A Uo为负载电压变化量，取值20mV.f=654KHz, AUo=36v,则可取Cb=1200uF可以利用多个低ESR的电解电容并联得到。为增强高频响应，可以采用输出端并联多个无极性的吸收电容减少毛 刺.软件流程图图4-14软件设计5数据测试测试仪器15MHzS数信号发生器 型号Agilent33128A,数字示波器双通道60Mhz 型号Tektronix TDS 1002万用表型号Fluke17B表5-1负载变化时电源参数及PFC娟/ Q预置输出电压/

11、V实际输出电压/V输出电流/APFC453635.70.790.99403635.90.890.98353636.1M.020.95303635.81.190.96253636.01.440.97203635.95M.790.98153635.92.20.99表5-2负载调整率输出电流值/A00.20.50.81.01.52.5输出电压值/A36.04136.0236.0136.00135.5935.5635.55由负载调整率计算公式 Si= (36.04-35.55 ) /36=0.25 %表5-3电压调整率输出电流值/A20222425262830输出电压值/A36.0536.0236.0

12、836.0036.036.0736.09由电压调整率计算公式 Su= (36.09-36.05 ) /36=0.12 %6系统方案结果分析与总结通过对系统的数据分析发现，由于系统采用数字闭环反馈调节，经过实时 采样使负载调整率和电压调整率达到很高的稳定度。功率因数由于采用 UCC28019跟踪电压式调节，使输入电压电流相位差很小，功率因数可以达到 99%。但是由于Boost主拓扑结构的特点，其输出纹波较大。所以最终的输出 纹波只能控制在400mV以内。系统还可以添加温度检测电路防雷及采用辅助电 源等附加功能，进一步完善，也可以利用无损吸收回路进一步提高系统的效率。7 参考文献1 陈言俊、 王延

13、伟、 罗亚非 . 大学生创新竞赛实战 M. 北京航空航天大学出版社 .2009.2 高吉祥 . 全国大学生电子设计竞赛培训系列教材M. 电子工业出版社.2010.3龙威林、杨冠声、胡山.单片机应用入口 -AT89S51和AVRM.化学工业出 版社 .2008.4彭伟.单片机C语言程序设计实例M.电子工业出版社.2009.8附件附件1系统电路图T果不SU13一一一1I-,r一-|口*F*;直*llL31_ tF:$*g一一ISS11区1 :4333333333322232322iza0 s 8 7 f J f 3 1 1 9 $ 7 J 3 2 1号呈*5 .J尸 尸,/T1：工h-dTn-7

14、3自 C-名?1 111111 11 1?a 】 2* J s 7 R 9 aEL1_1三-T1卜171+dLh-3W1=B,客Jc- 同n-1 mj rd-7 品R卜JS1341二鼻Xg2t上二R3E *c-Jg Kj.-t4代4| H|.4 JI1wK一 &0-nE-*1bBa Ar-u_Ar-1 3| 0A K.aA%MJ-E3;5 11,不 5w-,T1t一77l_l=Hq1T1J*S1*一1T一十北1237n3EpSiT._=_,一II一L_r.1-II1b.Cl-一七击一1TR E一.那*1-1-附件2系统实物图附 3 部分源代码#include #include LCD5510.

15、H#include delay.h#include other.h#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*ADC相关寄存器入口地址*/sbit sw=P2A7;#define off P2=P2&0x7fsfr ADC_LOW2 = 0XBE;/*ADC 相关寄存器配置赋值*/#define ADC_POWER 0x80#define ADC_FLAG 0x10#define ADC_START 0x08#define ADC_SPEEDLL 0x00#define ADC_SPEEDL 0x20#defin

16、e ADC_SPEEDH 0x40#define ADC_SPEEDHH 0x60#define ADC_CHS 0X00#define uchar unsigned char#define uint unsigned inttypedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;sbit PWMJA = P3A0;sbit PWMJIA = P3A1;sfr PCAPWM0 = 0xF2; /PCA 模块 PWMf存器 PCAPWM0/1;sfr PCAPWM1 = 0xF3;/定义DA位uint dingshiqi;void InitADC

17、();void getAD(char ch)ADC_CONTR = ADC_POWER|ADC_SPEEDHH|ADC_START|ch;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);ADC_CONTR&=ADC_FLAG;void display_da_ch(char ch)/ 电压数值显示函数getAD(0);Print_voltage(ADC_RES,ch);ADC_RES=0;void PAC_PWM() /设置PWM0I定占空比PWM何变占空比CCON =0;CMOD =0x02;CL =0x00;CH =0x00;CCAPM0=0x4D;CCAP0L=0x00;CCAP0H=0x00;CCAPM1=0x42;CCAP1L=135;CCAP1H=135;CR =1;/*/ 主函数void PID() uint t;getAD(0);t=ADC_RES;if(t180)CCAP1L+=1;CCAP1H+=1;if(t=180)CCAP1L+=1;CCAP1H+=1;delays();while(t188)&(t19