单相AC-DC变换电路论文

1、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, 最人输出电流为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

2、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11系统总体方案设计木系统采用stm32单片机为检测控制核心，对整个系统进行监测，可测量输岀电压、 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

3、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耍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屯流测量显示。保护电路由pfc芯 片的过压和过流保护，以及ad检测输出电流的人小，过流则关断单片机控制继电器。12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方案二：采用b00st+uc3854实现。该方案的控

4、制方法为模拟控制方法ouc3854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h前较为广泛使用的apfc 电路。该方笔所实现的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b00st+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 的跟踪误差产生的崎变小于1 %,实现了接近于1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

5、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，计算量人，难以达到很高的采样频率，此外还更注意 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1c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，采用数字控制來实现很困难，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。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儿步，相对来说简单易行，而且实验结 果证明该方案完全

6、达到题h的要求。综上所述，选用方案三。系统控制原理框图如图1t所示。220v自耦18v整流4boost36v电阻交流输入变压器电路电路i k负载ucc： 8019pfc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。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

7、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 卩l|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ucc

8、28019控制开关管导通关断，经过boost电路升 压后电压变为36vo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屯流测量显 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。系统总体电路图见附录3.木系统在假设变压器副边电压“2为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为：pf ="昇2小0| =如 cos 琳=了 cos 琳u2i2 12''式中：2、厶

9、分别为变压器副边的电压、电流有效值，4为厶中的基波分量，曲为“2和4 z间的相位差。考虑到本题的特点，为计算简单，可以用匕、l2 z间的相位羞0的余弦8s0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5 x"pf = un。,可知输入电流的有效值36x2.515x0.92x0.99=6.588a输入电流的峰值iin-peak= 72x i.iirms =72x 6.588a = 9.315/1输入纹波电流irip,)le = °?/如(nwo =0.2x9.315 = 1.86a纹波电压 =°06屁加=0.06xv2x18

10、= 1.527v其中为电压纹波系数通过电感的峰值电流5叫)ripplein _ peak (max)感值fl ripple65x1.86为了留取一定的裕量，故选择感值imh,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smp二17 arcmin)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:out2pout( holdupout 一 v。叽 holdup(min)2x90wx2128/s362-302> 9673实际我们选择的滤波电容为：9400ufo2. 4.3整流桥的选择通过整流桥屮

11、每个二极管的电流心宇二罟心5反向承受电压为= v2(/, = a/2 x19v = 26.87v 我们选择金属封装的整流桥kbpc1510，其正向 电流最大为15a,反向耐压值为1000v,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木身，电路的输出电压依然为整流 后的25v左右的电圧，依然可能存在大电流，对整个

12、系统有很大的潜在威胁。因此， 本系统在主电路屮加入继电保护，当单片机检测输岀过流时，将发岀指令电平通过继电 器來切断主回路，达到保护负载的功能。经实际测试，当单片机再次检测输岀电流正常 时，释放屯平，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，因为前级的屯路是一个整流桥和一个电容滤波，输岀屯压通常是 输入的0.91.2倍，具体电压值与电容值

13、有关。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软件调试与破件相比，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，其结杲与adc的参考电压 及硬件电路的放人比率值有直接关系，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，信号调理电路的放人比例也町以通过计算得到 但

14、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，获得和对准确的值。3. 2. 2实验测试结果系统实验测试结果见附录4。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。不设计屮系统要求的实现的一个很重要 的特点是釆用了双闭环來捉高系统的性能，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 简化了实际便件电路的设计，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

15、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 o2 施保华，计算机控制技术m,武汉：华中科技大学出版社,2007o3 出一华，王晓华，鲁俊环.单和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)o4 曲学基，王增福，曲敬铠，稳定电源实用电路选编m,北京：电了工业出版社, 2003 o5 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

16、m,北京： 电子工业出版社，2007o附录图2.1系统流程图pj图2.2软件设计图图231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=30qu2=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=60q测量值uo=36vrl=30q测量值uo=35.8vrl=20q测量值uo=35.2v2功率因数u2=18v,rl=30q测量值u212相位差 <p=8°cos(p二0. 990图3.2.1实验测试结果ad采集部分程序：#include "adc.h"#include "d

17、elay.h'1初始化adc这甲我们仅以规则通道为例我们默认仅开启通道1void adc_init(void)先初始化10 口rcc->apb2enri=1«2; 使能 porta 口时钟 gpioa->crl&=oxffffffof;/pa1 anolog 输入 通道10/11设置rcc->apb2enri=1«9;/adc 1 时钟使能rcc->apb2rstri= i «9; /adc i 复位 rcc->apb2rstr&二 (lvv9); 复位结束 rcc>cfgr&=(3vvl4);

18、分频凶子清零/sysclk/div2=12m adc时钟设置为12m,adc最人时钟不能超过14m!否则将导致adc准确度下降！rcc->cfgri=2«14;adc 1 ->cr 1 &二 0xf0ffff; 工作模式清零adc 1 ->cr 11=0« 16;独立工作模式adc 1 ->cr 1 &=( 1 «8);非扫描模式adc 1 ->cr2&二(1 vv 1);单次转换模式adc1->cr2&=(7vvl7);adc 1 ->cr2i=7« 17;软件控制转换adc1-

19、>cr2i=1«2o;使川用外部触发(swstart)! 必须使用一个事件来触发adc1->cr2&=(lvvll); /右对齐adc 1 ->sqr 1 &=-(0xf«20);adc1->sqr1 &=0«20;/i个转换在规则序列中也就是只转换规则序列1设置通道1的采样时间adcl>smpr2&=(7vv3); 通道1采样时间清空adc1->smpr2i=7«3;通道1239.5周期，捉高采样时间可以提高精确度adc1->cr2i=1«o;开启 ad 转换器adc1

20、->cr2i=1«3;使能复位校准while(adc 1 ->cr2 & 1 «3); /等待校准结束该位市软件设置并市硬件清除。在校准寄存器被初始化后该位将被清除。adc1->cr2i=1«2;开启 ad 校准while(adcl->cr2 &1«2); 等待校准结束 该位由软件设置以开始校准，并在校准结朿时由硕件清除获得adc值ch:通道值016 返回值:转换结果ul6 get_adc(u8 ch)设置转换序列adc1>sqr3&=oxffffffeo;规则序列 1 通道 chadcl->s

21、qr3l=ch;adc1->cr2i=1«22;启动规则转换通道while(!(adc 1 ->s r&1«1);/ 等待转换结束 return adc 1 ->dr;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ul6 get_adc_average(u8 ch,u8 times)u32 temp_val=o;u8 t;for(t=0;t<times;t+)(tcmp_val+=gct_adc(ch); delay_ms(5);return

22、temp_val/times;测功率因数部分程序定时器5通道1输入捕获配置/an-：自动重装值psc：时钟预分频数void tlm5_cap_init(u 16 arr,u 16 psc)rcc->apb1enri=1«3;/tim5 吋钟使能rcc->apb2enri=1«2;使能 porta 吋钟gpi oa->crl&=0xfffffff0;/pao 淸除z 前设置gpioa->crli=0x00000008; /pao 输入gpioa->odri=0«0;/pao 下拉tim5->arr=arr;设定计数器自动重

23、装值tim5->psc=psc;预分频器tim5->ccmr1i=1«o; /cc1s=o1 选择输入端 ic1 映射 到ti1上tim5->ccmr 11=0«4; /ic1f=oooo 配置输入滤波器 不滤 波tim5->ccmr ll=0«10; /ic2ps=00 配置输入分频，不分频tim5->cceri=0«l;tim5->cceri=l«0;/cc1p=o 上升沿捕获/cc1e=1 允许捕获计数器的值到捕获寄存器中允许捕获中断允许更新屮断使能定时器2tim5->dieri=1«1;tim5->dieri=l«0;tim5->cr 11=0x01;my_nvic_init(2,0,tim5_irqchannel,2);/抢占 2,子优先级 0,组捕获状态：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,