天成元单相AC-DC变换电路(A)要点

2021年2月24日发(作者：鸡冠花的功效与作用)

竞赛队号：
20130207





全国大学生电子设计竟赛



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
STC12C5A60S2
单片机最小系 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
PWM
波控制
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
UCC28019
实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，< br>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

.< br>............................................... .................................................
1

2-2
方案论证

.
........... .................................................. ............................................
1


2-2-1
升降压电路的选择

.
................................................. ............................
1

2-2-2 PFC
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

.< br>............................................... .......................................
4

4
软件设计

.
....................... .................................................. ...........................................
5

5
数据测试

.
............ .................................................. .................................................. ...
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，< br>代表其电力利用率越高，
本系统采用
TI
公司的
PFC
控制芯 片
UCC28019
为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
PF C
控制芯片
UCC28019
的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
APFC
后
,
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
2-1
2-2
方案论证

2-2-1
升降压电路的选择

方案
1
：
采用
BUCK
电路与
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
buck
电路。
方案
2
：直接使用
BOOST
升压电路可以通过开关管
IRF5 40
调节输出的电
压，开关管受
AVR
单片机产生的
PWM
波经由
IR2104
驱动
IRF540
的通断，输出
电压
U o=Uin*(D/(1-D))
公式中
D
为
PWMD
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.< br>所以综合以上考虑最终选
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/D C
级输入的预稳，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
VSENSE
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




图
3-1

根据
UCC28019
芯片工作原 理可知，
其输出的
PWM
波占空比是根据电压环路的反
馈电压输入到
VSENSE
脚与
+5V
基准电压比较，经差分放大后改变
PWM
斜 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



图
3-2
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




图
3-3
系统主电路包括采用
BOOST
电路，在
Usmin=20v,
U
omax=36V,
I
omax=2A
时 ，
P
omax=
I
omax*
U
omax=72w.
取输入功率
P
imax=80w,
I
max=
P
max/
U
min=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
MOS
管导通时，电流流过
MOS
管，肖特基二极管承受反向电压；在
MOS
管关
断时
,
电流流过
MOS
管
,
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
Idmax>16A; Udss(Umm)>72v;
IRF540
的
Idmax=28A,Udss=1 00v,
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
0.25
，开关频率
6 5KHZ
，输出电压
36V
，则最终电感可取
200uH
。

3-3-3
电容参数计算


Δ
Ｕ
o
为负载电压变化量，
取值
20mV.
f=654KHz,
Δ
Ｕ
o=36v,
则可取
Cb=12 00uF
，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
.
4
软件设计














































































































































































































































































软件流程图

图
4-1