[電子設(shè)計(jì)精] 高功率因數(shù)電源

1、高功率因數(shù)電源高功率因數(shù)電源pfc2011年6月1、題目設(shè)計(jì)要求、題目設(shè)計(jì)要求n一、任務(wù) n 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)(pfc)的整流電源，要求輸出直流電壓uo為36v，最大負(fù)載電流為2a，負(fù)載為電阻性負(fù)載，其電路原理框圖如圖1所示。n二、要求 n1、基本要求、基本要求 n（1）當(dāng)電壓u2為(1519)v，負(fù)載電流io為(0.52)a時(shí)，要求輸出電壓uo穩(wěn)定在36v，其誤差的絕對(duì)值小于5% 。n（2）變壓器副邊電流i2的波形應(yīng)為正弦波，失真度小于5% 。n（3）電路功率因數(shù)大于0.95（在變壓器副邊測(cè)量）。n（4）輸出電路具有過流保護(hù)功能(輸出電流io達(dá)2.5a時(shí)自動(dòng)

2、保護(hù))。n2、發(fā)揮部分、發(fā)揮部分 n（1）設(shè)計(jì)制作檢測(cè)輸出電壓和輸出電流的測(cè)量電路，其測(cè)量誤差絕對(duì)值小于2% 。 n（2）當(dāng)u2電壓為18v，負(fù)載電流為(0.52)a時(shí)，能對(duì)輸出電壓uo在(3036)v范圍內(nèi)設(shè)定，其測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于2% 。 n（3）設(shè)計(jì)制作功率因數(shù)測(cè)量電路，其測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于2% 。n（4）其他。n三、說明n1、至少使用2片ti芯片，推薦采用ti公司pfc控制芯片ucc28019。n2、功率因數(shù)說明：在假設(shè)變壓器副邊電壓u2為標(biāo)準(zhǔn)正弦波條件下，功率因數(shù)的計(jì)算公式為：n n 式中：u2、i2分別為變壓器副邊的電壓、電流有效值，i21為i2中的基波分量, 1為u2和i21

3、之間的相位差。考慮到本題電路的特點(diǎn)，為計(jì)算簡(jiǎn)單，可以用u2、i2之間相位差 的余弦 cos 作為功率因數(shù)。n3、在隔離變壓器前用自耦變壓器調(diào)整輸入電壓，用滑線變阻器模擬負(fù)載。n4、為測(cè)試方便，在制作電路時(shí)，留出u2、i2、uo、io的測(cè)試點(diǎn)。n5、調(diào)試時(shí)，要防止輸出端開路或短路。n6、設(shè)計(jì)報(bào)告正文中應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、主要的測(cè)試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序用附件給出。2 21121112 22coscoscosu iiu ii2、高功率因數(shù)電源產(chǎn)生的背景、高功率因數(shù)電源產(chǎn)生的背景n 傳統(tǒng)的ac-dc變換由交流電網(wǎng)經(jīng)整流電路采用電容濾波獲得直流電壓，這種變換電

4、路主要缺點(diǎn)有：n （a）、輸入交流電壓是正弦波，但輸入的交流電流是脈沖電流，波形嚴(yán)重畸變，干擾電網(wǎng)電壓，產(chǎn)生向四周輻射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾；n （b）、為了得到可調(diào)的直流電壓，采用晶閘管可控整流電路，但脈動(dòng)很大，需要很大的濾波器才能得到平穩(wěn)的直流電壓。n 此外交流電流中含有大量的諧波電流，使電網(wǎng)中電流波形嚴(yán)重畸變，電源的輸入功率因數(shù)低，利用效率下降。3、提高功率因數(shù)的措施、提高功率因數(shù)的措施n（1）、附加無(wú)源濾波器。n 在整流器和濾波電容之間接入一個(gè)濾波電感l(wèi)z，增加輸入端交流電流的導(dǎo)電寬度，減緩電流沖擊，減小波形畸變，從而減小電流的諧波成分。n（2）、有源pfc n 有源功率因數(shù)校正簡(jiǎn)稱a

5、pfc，主要控制輸入電流呈正弦波變化，且與輸入電壓之間的相位差盡可能接近為0，即功率因數(shù)接近為1。按照輸入電流的控制，有源功率因數(shù)校正有以下幾種方法：n (a)平均電流型：工作頻率固定，輸入電流連續(xù)（ccm），該控制方式的優(yōu)點(diǎn)有： （1）恒頻控制。（2）工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管電流有效值小、emi濾波器體積小。（3）能抑制開關(guān)噪聲。（4）輸入電流波形失真小。 n （b)滯后電流型：工作頻率可變，電流達(dá)到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流。n (c)峰值電流型：工作頻率變化，電流不連續(xù)（dcm）。 n (d)電壓控制型：工作頻率固定，電流

6、不連續(xù)。 4、方案選取、方案選取n 無(wú)源功率因數(shù)校正電路一般最高只能達(dá)到0.9的功率因數(shù)，無(wú)法滿足題目基本部分0.95的功率因數(shù)的要求，故我們選擇有源pfc 。n 有源pfc 集成控制芯片有很多種，比如像uc3854、uc3855、ucc28019.由于ucc28019外圍電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，方案已經(jīng)相當(dāng)成熟，故我們采用該方案。5、電路參數(shù)設(shè)計(jì)、電路參數(shù)設(shè)計(jì)ucc28019控制電路原理圖boost主電路原理圖n1.主回路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算：n主電路采用boost主電路結(jié)構(gòu)；n交流220v輸入，經(jīng)過emi濾波，隔離變壓器選擇250w、18v輸出的隔離變壓器；nr1和r4電阻分壓檢測(cè)交流輸入電壓

7、u2，nrs2取樣電阻檢測(cè)輸入電流i20，阻值取0.1歐，輸入電流接近7a；n整流橋采用15a金屬封裝的整流橋；nr2和r5電阻分壓檢測(cè)整流橋的輸出電壓；nrs3取樣電阻檢測(cè)電感中的流過的電流，阻值取0.04歐；nr3和r6分壓檢測(cè)輸出電壓；nrl1為電阻可變負(fù)載；nrs1取樣電阻檢測(cè)輸出電流，阻值取0.05歐。n 開關(guān)管要求工作在65khz，在系統(tǒng)中取irfp460,最大反向電壓可到500v，最大電流20a，導(dǎo)通電阻小，開關(guān)管上升時(shí)間為120ns.可滿足題目要求。n d1二極管主要的功能是使系統(tǒng)快速啟動(dòng)，系統(tǒng)中采用fr307，快恢復(fù)二極管d2取1個(gè)mur3060雙管并聯(lián)使用，需要加散熱裝置

8、。n2.pfc控制電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算：n pfc控制電路采用ti公司的專用pfc芯片ucc28019，作為整個(gè)校正系統(tǒng)的控制器。ucc28019為持續(xù)傳導(dǎo)模式的pfc控制器，鋸齒波振蕩頻率為65k，輸出方波最高占空比為97%，內(nèi)帶5v的電壓基準(zhǔn)，推挽式輸出的驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)12.5v，電流達(dá)1.5a。具有電源輸入軟啟動(dòng)保護(hù)，以及反饋電壓欠壓，過壓鎖存，和峰值電流限制，此外還設(shè)有電壓，電流反饋補(bǔ)償端。校正后的功率因數(shù)可達(dá)0.99以上，特別適用于boost 升壓電路，輸入電壓范圍寬，輸出功率大。fpc控制的電路設(shè)計(jì)如下圖示： n 圖 pfc控制及主電路設(shè)計(jì)圖n控制電路15v電壓供電，圖中r7和c7對(duì)輸

9、入電壓值進(jìn)行濾波，r7采用221歐的電阻，c7取1000pf，8是電流環(huán)的補(bǔ)償電容，取值1200pf，c6輸入電壓采樣后的濾波電容，取值0.68uf，c9，c10，r8為電壓環(huán)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，r8取值33.2k，c10取值3.3uf，c9取值0.22uf。整體電路具體參數(shù)如圖中所示有待改進(jìn)的方面：有待改進(jìn)的方面：n1、輸入交流電流波形毛刺很嚴(yán)重，如圖所示：n2、輸出負(fù)載電流io無(wú)法上到2an 我們是使用上屆學(xué)長(zhǎng)訂做的由多股線繞制的500uh的電感，負(fù)載電流io達(dá)到1.7a時(shí)，電感發(fā)聲就很嚴(yán)重，此時(shí)主電路工作不正常，輸入交流電壓、交流電流的失真很嚴(yán)重。如圖所示： 這很有可能是電感電流上不去，電感的額

10、定電流太小了。如果減小流過電感的電流，或是增大電感的額定電流值，問題也許就得到解決。3、接線不規(guī)范、接線不規(guī)范n 使用杜邦線太多，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定因素很多，同時(shí)也引入了大量的電磁干擾，在以后設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，要有意識(shí)的去規(guī)劃好各模塊電路，盡量方便接線、減少接線，避免引入不必要的電磁干擾。心得體會(huì)：心得體會(huì)：n 轉(zhuǎn)入做電源的題目后，思維方式與以前做儀器儀表時(shí)有很大的不同，電源的題目，主體電路一般就是固定的，我們只能一條道走到黑，但是它的參數(shù)（主要包括濾波電感l(wèi)、輸出電容c，輸出反饋電阻網(wǎng)絡(luò)rf）需要精心計(jì)算，每一步設(shè)計(jì)都要有理有據(jù)。特別是在調(diào)試電路的時(shí)候，思路一定要清晰，否則就很容易忽視一些最基本的

11、問題，而造成很嚴(yán)重的后果。 （a） 變壓器副邊的地與boost主電路的地就不能共在一起。變壓器副邊的地為浮地，流經(jīng)其電流的方向是變化的，而boost主電路的地，流經(jīng)其電流的方向是固定的。n 上面的這個(gè)電路，由于共地問題，我們就不能用一個(gè)示波器既測(cè)輸入交流電壓（或交流電流）的波形，同時(shí)又測(cè)量輸出直流電壓（或者g極驅(qū)動(dòng)pwm）的波形。因?yàn)槭静ㄆ鲀陕吠ǖ赖牡卦趦?nèi)部已經(jīng)是連在一起的。n 而且在做測(cè)量電路的時(shí)候，如果不做任何處理，測(cè)電壓、電流電路與測(cè)功率因數(shù)角的電路需要兩個(gè)電源分別供電，數(shù)據(jù)處理需用兩個(gè)單片機(jī)，或者將測(cè)量功率因數(shù)角的電路經(jīng)光耦合隔離電路后再測(cè)量，這樣就只需一個(gè)單片機(jī)。還可以采用差分輸入運(yùn)

12、放，這樣也可以解決浮地的問題。n（b）pi調(diào)節(jié)典型應(yīng)用電路：n（c）加法器電路： 這個(gè)電路能夠?qū)崿F(xiàn)vfb=vf+vda嗎？ 比較這個(gè)電路與剛才的加法電路，它們有什么區(qū)別？從vdd的值和萬(wàn)用表的仿真數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)得到答案！你看出來(lái)了嗎？n（d）ina128低端采樣電流的問題 注意ina128一定是在低端采樣的。否則內(nèi)部過壓保護(hù)，輸出就不正常。這個(gè)在負(fù)載滑動(dòng)變阻器兩端接線的時(shí)候注意一下就可以了。n 當(dāng)時(shí)我們用ina128采得的交流輸入電壓的波形如圖：nn 我想可能就是因?yàn)閕na128內(nèi)部過壓保護(hù)作用或是輸入共模電壓受限造成的。如果換成差分輸入運(yùn)放，也許可以采樣到正弦電壓波形。n 轉(zhuǎn)換后的直流輸出電壓經(jīng)一