2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）

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20~30V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37.5队输出功率为30肌

效率为80乐功率因数为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:ThesystemisbaseonUCC280I9whichisanactivepowerfactor

connectionchipandMCUAT90C5I6,inordertodesignsingle-phaseAC-DC

conversioncircuit.Thesystemhassixmodulesincludingatransformermodule>PFC

moduleanovercurrentprotectionandalarmmodule>aphasemeasuringmodule、

aMCUmodulewhichisusedtomeasureanddisplayandanauxiliarysupplypower

module.Thetransformermoduleisconsistedofanautotransfbrmerandanisolation

transformer,itcanoutputavolagerangedfrom20Vto30V.ThePFCmoduleisbased

onUCC28019,itisabletooutput36Vandmaximumcurrent2.5A.Theovercurrent

protectionmodulecollectoutputcurrent2.5A,whenthecurrentisover2.5A,the

MCUwillcontroltherelaytocutoffthepower,thealarmcircuitwillgiveahintat

thesametime.Thephasemeasuringmodulecollectinputvolageandinputcurrent,

afterzero-crossdetectionandA/Dconversion.TheAT90C516willdisplaytheresults.

Theauxiliarysupplypowermoduleisusedtoprovidingvolagetothechips.

Accordingtothemeasurement,theinputpoweris37.5W,theoutputpoweris3()W,the

efficiencyis80%,thePFCis0.98,itcompletetheindexesperfectly,andhasagood

man-machincinterface.

Keyword:AC-DC;PFC;phase;

2

目录

一.方案比较与论证.......................................4

1.PFC校正电路.......................................4

2.相位测量电路........................................4

3.过流保护............................................5

二.理论分析与计算........................................6

1.PFC控制电路的参数计算..............................6

2.相位测量电路的参数计算.............................7

三.电路与程序设计........................................7

1.硬件电路设计........................................7

2.软件设计............................................9

四.测量方案与测试结果...................................10

I.功率因数测量的方案.................................10

2.测量仪器及测量方法.................................11

3.测量数据...........................................12

五、总结...................................................14

六、参考文献.............................................14

附录......................................................15

一、设计任务...........................................15

1、任务.............................................15

2、要求............................................15

二、本系统采用的芯片概述..............................16

1、UCC28019...............................................................................16

2、TLC372....................................................................................16

3、TLC2543................................................................................17

三、元件清单..........................................17

四、总原理图..........................................18

五、源程序............................................19

3

一.方案比较与论证

1.PFC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(Flyback)。

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漉波器取出直流成分，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

4

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、轴助电源模块。

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20~30V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

5

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

1.PFC控制电路的参数计算

(i)输出功率P

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：

P==36x2=72W(1)

(2)输入电容C加(查28019数据表，J=65KHz)

0.908

Ripple0.87〃万(2)

即max)8x65KX2

(3)采样电阻

(3)

(4)最小储能电感Lsmmin)

^„D(1-D)36X0.5(1-0.5)^

L〃S7(min)==OJ5(4)

Jsw^Ripple65^x0.908

(5)最小储能电容Cosmin)

2POUT2x72x21.28加

CoUAmin)-(5)

-^OUT_HOLDUP(mm)36.12-35.92

(5)感应电阻网络(由R网和号82串联)

假设反馈电流〃=2004A，因此设定R.=20KC,查表得匕叱=5V,则:

(%"一%"冰上_(36—5)x20K

&书1——IN—(6)

5

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。

6

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Mcc。Vcc开始由欠压锁定时，芯片处于断电状态。

当Mcc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

7

UCC280I9使其控制开关管工作，最终使输出端电压稳定在36Vo

（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，3OPf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一一中断

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。

VCC

P00AD0

901AD1

PO.2AD2

P0JAD3

PC6AD6

P07AD?

P1.QT2

Pl1T2EX

P12BQ

PUCEX0

P14CEX1

P15CBX：

P16CEX3

P17CBX4

P2.0AS

W1A9

P22A10

P2WI

?2iA：2

P25AB

P16AU

P27A15

PWC51FA-5N

CND

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）T2oT2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，我们在电压方波的卜.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

8

值代表着相位差N。因为频率•直50Hz,因此相位差二N/40000木360,从而求得功

率因数。

压相

交流电流GND

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。

0V?2

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。

9

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:

10

“N-l

有功功率尸=1/4〃以，电压有效值U=1/T（W>2）。由公式COSO=P/5（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，根据公式户=Scos6,Q=芯-P?（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。大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用位差测量法。

2.测量仪器及测量方法

（1）测量仪器

数字多用表（Agilenl34401A）.直流稳压电源（GPS33O3C）、数字示波器

（DP0292）、万用表（DT9205）o

（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Us=24V,调整负

载使。=24,Uo=36V,用万用表测量输出电流/。，输出电压U。，变压器输出

电压Us,变压器输出电流”并记录。调整负载时/。在0.2A~2A范围内变化，看

输出电压是否检定在U。=36V,并记录当Io=0.2A时的输出电压和当lo=2A

时的输出电压Us。

调整变压器使Us在20V〜30V范围内变化，看输出电压是否稳定在36V,

并记录当Us=20V时的输出电压Uoi和当Us=30V时的输出电压Uoi。

11

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1000/4.5A滑动变阻器当做负载，调节滑动变阻器，使

输出电流Io=2A的条件下，测试当Us=20V时的输出电压Uo\和当Us=30V时的

输出电压Us。

表1电压调整专质的测试数据

测试次数Uo\(V)U02(V)电压调整率电压调整率的平均值

135.9936.000.027%

235.9936.000.027%

335.9936.000.027%0.038%

436.9836.000.056%

536.9836.000.056%

注：电压负载率衿然&1。。％

负载调整率测试

测试方法：采用100Q/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），调整负载时小在0.2A~2A范围内变化，看输出电压是否稳定

在Uo=36V,并记录当"=0.2A时的输出也压Uoi和当Io=2A时的输出电压

UO2o

12

表2及负我调整率的测试数据

测量次数Uo\(V)U02(V)负载调整率负载调整率的平均值

35.9735.980.03%

1

35.9735.980.03%

2

35.9835.990.03%0.034%

3

35.9936.1().05%

4

3636.10.03%

5

注：电压调整率&=包二四xlOO%

Uci

（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

I。（A）功率因数功率因数误差（%）

（本系统测量值）（示波器测量值）

20.980.971%

（3）输出电压、电流的测试（采用本系统测试电路天口万用表一起测试）

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R=欧）

设定电压U。（V）%（V）误差（%）Io（A）Io（A）误差（%）

（V）显示值测量值显示值测量值

36.0136.020.13%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%0.690.611.67%

13

35.9736.010.11%0.700.711.47%

2435.9736.040.19%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I：作，减少了输出电压和输出电流的朵波。

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。

六、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,2()12(2).

⑵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,1996

⑶周志敏.开关电源实用技术[M].北京:人民邮电出版社,2007

[4卜罗佳明,戴庆元.Boosl变换电路的损耗分析[J].电子元器件应用,2007,9(2):64-67.

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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。

图单相ACDC变换电路原理框图

2、要求

(1)在输入交流电压Us=24V>输出直流电流lo=2A条件下，使输出直流电压

Uo=36V±0.1Vo

(2)当Us=24V,Io在0.2A〜2.0A范围内变化时，负载调整率SIW0.5%。

(3)当Io=2A,Us在20V〜30V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变次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2.5A±0.2A,

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0.80〜1.00,稳

态误差绝对值不大于0.03<

(4)其他。

15

二、本系统采用的芯片概述

1、UCC28019

UCC280I9是美国TI公司最新的有源功率因数校正(PF。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，

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，实现了真王的正逻辑连接，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：

•宽电压范围供电2~18V；

16

•5V电源时低漏电流150uA：

•TTL输入电平时快速影响200ns；

•高输入阻抗典型值10「Q；

•低输入偏置电流典型值5pA；

•超稳定的低输入偏置电压；

3、TLC2543

TLC2543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位数据采集系统的最佳选择器件之一。

TLC2543特性：

•11个模拟输入通道；

•66ksps的采样速率；

•最大转换时间为10us；

•SPI串行接口；

・线性度误差最大为±1LSB：

•低供电电流（1mA典型值）；

•掉电模式电流为4nA。

三、元件清单

元件清单如附图2所示。

17

[CapCapacitocC1.C2.C3.C6.C7jRAD-0.3Cap13

CapPollPolarizedCapacitor(C4,C5.C17,C19RB7.6-15CapPoll4

CAP1C15.C16RAD0.15CA2

Cap2CapacitorC20.C22CAPR54X5Cap22

CapacitorC21CAPR5-4X5Cap21

6ode1N54053AmpGeneralPupD1DIO18.84-9.&56Dode1N54041

CSD040603fifnpGeneralPupD2DIO18.84-9.6x5.6Dbde1N54041

Bndge2DiodeBndgeD3E-BIP-P4/X2.1Bridge21

Dode18TQ045SchottkyRectfierD4SFM-T2(3)/X1.7VDiode18TQ0451

DiodeDefaultDiodeD5DSO-C2/X3.3Dbde1

LEDOTypicalINFRARED।D6LEDOLEDO1

Rday-SPDTSingle-PoleDual-ThK1DIP-P5/X1.65Relay-SPDT1

G064154Magnetic-CoreIndueL1AXIAL-0.9inductorIron1

Header2Header.2-PinP1,P4HDR1X2Header22

Header9Header,9-PinP2HDR1X9Header91

Header5Header.5-PinP3HDR1X5Header51

Header3Header.3-PinP5HDR1X3Header31

Header20Header.20-PinP6HDR1X20Header201

2N3904NPNGeneralPurpaQ1BCY-W3/E42N39041

Res2ResistorR1,R2.R3.R5.R6.AXIAL-0.4Res225

ResAdj2VanableResistorR4AXIAL-0.6ResAdj21

ResTapTappedResistorR15VR3ResTap1

SW-PBSwichS1SPST-2SW-PB1

TransTransfonnerT1TRANSTrans1

TLC372U1.U6TL2

IRF540U2IF1

UCC28019DU3UCC281

P80C51FA-5N80C518-BtMKTOCOU4SOT12»-1P80C51FA-5N1

TLC2543U5DIP20TLC251

TL082U7tiC-821

XTALGystalOscillatorY1