單相AC-DC變換電路

1、2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽單相AC-DC變換電路（A題）【第五組】2013年9月7日 摘要本設(shè)計(jì)以TI公司的MSP430F149單片機(jī)為控制器，采用了TI公司的UCC28019芯片，搭建了一個(gè)單相AC-DC變換電路。本系統(tǒng)由變壓器模塊、AC-DC變換電路、功率因數(shù)檢測(cè)電路、功率因數(shù)調(diào)整電路和電流檢測(cè)電路等組成。在實(shí)驗(yàn)裝置的電源電路中，對(duì)電源的輸出直流電壓、直流電流和電源的功率因數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并通過鍵盤對(duì)電源的輸出直流電壓進(jìn)行設(shè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電源的進(jìn)線交流電壓和負(fù)載電流，在比較寬的范圍內(nèi)變化的時(shí)候，電源的輸出電壓能夠保持較高的穩(wěn)定性；具有過流和過壓的保護(hù)功能。利用UCC28019功率

2、因數(shù)校正功能，將電源裝置的功率因數(shù)提高到了0.98以上，并能夠?qū)⒐β室驍?shù)在0.8-1.0之間調(diào)整，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：MSP430F149單片機(jī)、UCC28019、AC-DC變換、功率因數(shù)。 一、 方案論證設(shè)計(jì)并制作如圖所示的單相AC-DC變換電路。輸出直流電壓穩(wěn)定在36V，輸出電流額定值為2A。 系統(tǒng)總框圖、PFC模塊方案一：采用無(wú)源PFC電路。無(wú)源PFC電路不使用晶體管等有源器件，而是由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源元件組成。采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無(wú)源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達(dá)到0.70.8。 方案二：采用有源PFC電路，有源

3、PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小，可以達(dá)到很高的功率因數(shù)，基本可以達(dá)到98%以上，但成本要高出無(wú)源PFC一些。本電路采用是UCC28019芯片。UCC28019的VINS采集整流后的電壓，通過ISENSE端口采集電流來跟蹤采集的電壓，減小失真度。VSENSE端口檢測(cè)反饋電壓，在內(nèi)部進(jìn)行比較，從GATE端口輸出電壓，來驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)管工作，而且內(nèi)部具有過壓過流保護(hù)功能。該芯片具有較強(qiáng)功率因數(shù)矯正功能，使用該芯片能使輸入的電壓、電流的信號(hào)的相位差大大減小，功率因數(shù)可以提高到0.98以上，從而提高電路有功功率。通過比較兩種方案，方案二能夠更好的實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)電路的控制要求，故采用方案二

4、。2、有源功率因數(shù)校正模塊方案一：采用降壓型PFC電路。降壓型PFC電路如圖所示，其工作過程如下：當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電流IL流過電感線圈，在電感線圈未飽和前，電流IL線性增加;當(dāng)開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，L兩端產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，向電容和負(fù)載供電。開關(guān)管所受的最大電壓為輸人電壓的最大值，因此開關(guān)管的電壓應(yīng)力 圖1較小;當(dāng)后級(jí)短路時(shí)，可以利用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。由于只有在輸人電壓高于輸出電壓時(shí)，該電路才能工作，所以在每個(gè)正弦周期中，該電路有一段因輸人電壓低而不能正常工作，輸出電壓較低，在相同功率等級(jí)時(shí)，后級(jí)DC/DC變換器電流應(yīng)力較大;開關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地與輸出地不同，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，加之輸人電流斷續(xù)，功率因

5、數(shù)不可能提高很多，因此很少被采用。方案二：采用升壓型PFC電路。升壓型PFC主電路如圖2所示，其工作過程如下：當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電流IL流過電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，電能以磁能的形式儲(chǔ)存在電感線圈中，此時(shí)，電容C放電為負(fù)載提供能量;當(dāng)Q截止時(shí)，L兩端產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)VL，以保持電流方向不變。這樣，VL與電源VIN串聯(lián)向電容和負(fù)載供電。輸入電流完全連續(xù)，并且在整個(gè)輸人電壓的正弦周期內(nèi)都可以調(diào)制，因此可獲得很高的功率因數(shù);電感電 流即為輸入電流，容易調(diào)節(jié);輸入電流連續(xù)，開關(guān)管的電流峰值較小，對(duì)輸入電壓變化適應(yīng)性強(qiáng)，適用于電網(wǎng)電壓變化特別大的場(chǎng)合。主要缺點(diǎn)是輸出電壓比較高，且不能利

6、用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。對(duì)于以上2種方案，方案二明顯優(yōu)于方案一，因此我們選擇方案二。3、單片機(jī)控制電路方案一：采用通俗的51單片機(jī)，51單片機(jī)運(yùn)用廣泛，有良好的知識(shí)做基礎(chǔ)，上手快，但是單片機(jī)內(nèi)部不含ADC，電路需要外接A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)其功能。方案二：系統(tǒng)采用MSP430F149作為控制芯片，MSP430F149內(nèi)部有豐富的資源，6個(gè)8位并行口其中有兩個(gè)有中斷功能，12位的ADC，強(qiáng)大的定時(shí)器，大容量的RAM和ROM。MSP430單片機(jī)最大的特色就是超低功耗，適合低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。比較兩種方案，方案二外圍電路更加簡(jiǎn)單，所以選擇方案二。二、 理論分析與計(jì)算1、 功率因數(shù)調(diào)整方法對(duì)于功率因數(shù)調(diào)整

7、的方法，如圖所示，我們通過設(shè)定一個(gè)合適的電壓值，使得電壓達(dá)到該值后，電流才能跟蹤電壓。從而改變開關(guān)管的開關(guān)占空比，可達(dá)到調(diào)整功率因數(shù)的目的。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：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，為U2和I21之間的相位差。為計(jì)算簡(jiǎn)單，就用U2、I2之間相位差的余弦作為功率因數(shù)。2、 穩(wěn)壓控制方法UCC28019通過雙閉環(huán)控制：電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)。電流內(nèi)環(huán)的作用是控制網(wǎng)側(cè)輸入電流的波形和相位；電壓外環(huán)的作用是控制輸入電流的幅度，以使輸出直流電壓在各種擾動(dòng)下保持期望值。該控制系統(tǒng)具有許多系統(tǒng)級(jí)的

8、保護(hù)功能，主要包括峰值電流限制、軟過流保護(hù)、開環(huán)檢測(cè)、輸入掉電保護(hù)、輸出欠壓過壓保護(hù)、軟啟動(dòng)等功能。由芯片UCC28019 工作原理知其輸出PWM 波形占空比是根據(jù)電壓環(huán)路的反饋電壓輸入到6腳與芯片內(nèi)部+5 V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較， 經(jīng)差分放大后改變PWM 斜率。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)6腳的電壓為5 V，通過控制D/A 的輸出來控制UCC28019 的6腳電壓，進(jìn)而控制最終的輸出，即數(shù)字設(shè)定輸出。3、提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案該系統(tǒng)內(nèi)部的損耗主要集中在LC濾波電路、隔離變壓器、開關(guān)管等器件，因此，做好這些的吸收緩沖和正確的參數(shù)選擇是提高次系統(tǒng)效率的有效途徑。實(shí)現(xiàn)方案是：（1） 在開關(guān)管D,S兩極間加RC吸收緩

9、沖回路。合理的吸收緩沖回路不但降低了功率器件的浪涌電壓和浪涌電流，而且還降低了器件的開關(guān)損耗和電磁干擾，避免的器件的二次擊穿。（2） 加粗導(dǎo)線，加大主回路電流容量。（3） 選擇導(dǎo)通電阻小的開關(guān)管，減少開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。（4）減小濾波電感的附加損耗，繞制電感用漆包線盡量增大其線徑。三、電路與程序設(shè)計(jì)附錄一為主電路原理圖，本電路是采用的有源PFC電路來提高電路的功率因數(shù)，通過采集到的電壓、電流值來控制GATE端的輸出來驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)管，控制升壓電感中的電流，從而提高功率因數(shù)。本電路由UCC28019構(gòu)成一個(gè)有源PFC電路，它是一種高功率因數(shù)校正集成控制電路芯片，采用有源PFC電路能更好的提高

10、功率因數(shù)，且輸出的DC電壓紋波很小。UCC28019的VINS采集整流后的電壓，通過ISENSE端口采集電流來跟蹤采集的電壓，減小失真。VSENSE端口檢測(cè)反饋電壓，在內(nèi)部進(jìn)行比較，從GATE端口輸出電壓，來驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)管工作。開關(guān)管閉合時(shí)，電流流入電感，升壓電感儲(chǔ)存能量，負(fù)載電流由濾波電容供給。開關(guān)管斷開時(shí)，升壓電感電流經(jīng)升壓二極管輸出到負(fù)載，并對(duì)濾波電容充電。使PFC電路輸出電壓比輸入更高，且通過升壓電感的電流由不連續(xù)變?yōu)檫B續(xù)，這樣就改變了原來電流導(dǎo)通角小存在的問題，并且使電流導(dǎo)通角的大小跟隨電壓的變化規(guī)律。該芯片自帶過流保護(hù)，通過單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換電路采集直流電壓和直流電流，

11、1、主回路與器件選擇1）功率因數(shù)主回路附錄三為UCC28019芯片的內(nèi)部框圖及應(yīng)用電路。整流后的輸入電壓經(jīng)過電阻RVINS1和RVINS2分壓，送入VINS端，通過ISENSE端采集到的電流信號(hào)來跟蹤VINS采集到的電壓。通電后，振蕩器開始振蕩，輸出65KHz定時(shí)脈沖進(jìn)入RS寄存器，與其他各路控制信號(hào)共同決定GATE端輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖，控制MOSFET開關(guān)管工作。PFC控制：ISENSE端采集電流信號(hào)與VSENSE端采集到的電壓反饋信號(hào)共同作用，與一鋸齒波進(jìn)行比較，輸出決定與兩輸入端的相對(duì)電壓，只有當(dāng)反相端輸入電壓大于同相端的鋸齒波電壓才能有輸出，這樣RS寄存器的轉(zhuǎn)換時(shí)間就得到了控制，即實(shí)現(xiàn)了P

12、FC控制。其中ICOMP端和VCOMP端分別給ISENSE端和VSENSE端提供電流補(bǔ)償和電壓補(bǔ)償。保護(hù)電路：欠壓鎖定：當(dāng)電源電壓低于9.5V時(shí)，進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)，UVLO信號(hào)將與門鎖死，驅(qū)動(dòng)級(jí)因而無(wú)輸出；當(dāng)電壓回升至10.5V時(shí),與門鎖定解除。過壓保護(hù)：PFC電路輸出電壓通過RB1和RFB2分壓，從VSENSE端進(jìn)入，當(dāng)過壓比較器的輸入電壓大于5.25V時(shí)，輸出信號(hào)OVP使芯片進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)。過流保護(hù)：芯片具有兩個(gè)過流保護(hù)功能，峰值電流限制和軟過流保護(hù)，當(dāng)ISENSE端檢測(cè)電壓達(dá)到-0.73V時(shí)，輸出信號(hào)SOC會(huì)改變PWM的占空比；當(dāng)電壓達(dá)到-1.08V時(shí)，輸出信號(hào)PCL將與門鎖死，從而關(guān)

13、閉GATE端。2）功率因數(shù)調(diào)整回路對(duì)于功率因數(shù)調(diào)整環(huán)節(jié)，通過取經(jīng)濾波電路濾波后的電壓，并設(shè)定一個(gè)合適的電壓值，通過一個(gè)比較器比較后使其輸出的信號(hào)為方波。再與UCC28019的8腳輸出的電壓通過一個(gè)與門相與，輸出的信號(hào)再通過一非門，增大其負(fù)載能力，同時(shí)也去除波形的毛刺。如圖所示，可以通過調(diào)整R6改變比較電壓的值，從而改變開關(guān)的占空比，使得能夠達(dá)到調(diào)整功率因數(shù)的作用。2、控制電路與控制程序 該圖為直流輸出電流電壓測(cè)試電路，通過ACS712傳感器檢測(cè)出電壓，輸出的電壓V=2.5+0.185*I通過一個(gè)電容放電后，再通過一個(gè)由OP07組成的放大器放大后，通過一個(gè)比較器后再通過一個(gè)異或門和電壓異或，被M

14、SP430F149單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換電路采集，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行數(shù)值處理，計(jì)算結(jié)果在數(shù)碼管顯示。通過鍵盤設(shè)定PFC電路的直流輸出電壓。程序流程如下圖所示：3、過流保護(hù)電路本系統(tǒng)采用單片機(jī)通過A/D實(shí)時(shí)監(jiān)控輸入電壓和輸出電流的值，在輸出電流上升到I=(2.5A0.2A)時(shí)啟動(dòng)控制程序切斷繼電器使電路開路。從而實(shí)現(xiàn)輸出過流保護(hù)功能。四、 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、 主要測(cè)量?jī)x器數(shù)字示波器：DS1102CA； 函數(shù)發(fā)生器：EE1641B1；數(shù)字萬(wàn)用表：DM3068； 電參數(shù)測(cè)試儀：CC1201接觸式調(diào)壓器：TDGC2-1 2、測(cè)試結(jié)果及分析經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)

15、試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所述：(1)當(dāng)輸入交流電壓=24.1V，輸出直流電流Io為2.046A,輸出電壓為36.04V,誤差的絕對(duì)值小于0.1V。 圖5 PFC校正前交流電壓和交流的波形 圖6 PFC校正后交流電壓和交流的波形 通過圖5可以看出PFC校正前的交流電流不是一個(gè)正弦波，且與交流電壓不同相，因此功率因數(shù)很低。圖6是PFC校正后的交流電壓與交流的波形，其中交流電流波形為正弦波，與交流電壓基本同相，電路的功率因數(shù)大于0.98。(2)當(dāng)=24.1V，Io=2.051，U= 36.04；當(dāng)=24.0V，Io=0.201，U=36.083，負(fù)載調(diào)整率S=1.2%0.5%。（3）當(dāng)Io=2.061A，=

16、20.1V，U=36.033；當(dāng)Io=2.067A，=30.0V，U=36.055，電壓調(diào)整率S=0.5%。(4)功率因數(shù)測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)AC-DC 變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測(cè)量，測(cè)量誤差絕對(duì)值小于0.03。輸出電路具有過流保護(hù)功能（當(dāng)輸出電流達(dá)到2.5A時(shí)自動(dòng)保護(hù)）。(5) 在Us=24V，Io=2A，U=36V 條件下，AC-DC變換電路交流輸入側(cè)功率因數(shù)為0.99，高于0.98。(6)根據(jù)設(shè)定自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù)，功率因數(shù)調(diào)整范圍在0.80-1.00時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差絕對(duì)值小于0.03。 圖7 交流電流經(jīng)比較前后的波形 圖8 交流電壓經(jīng)比較前后的波形 圖9 交流電壓和交流電流的相位比較 圖10交流電壓和交流電流的相位測(cè)量圖7中所示的分別是正弦波交流電流和其經(jīng)過一個(gè)比較器轉(zhuǎn)換成的方波電壓波形，圖8是中所示的分別是正弦波交流電壓和其經(jīng)過一個(gè)比較器轉(zhuǎn)換成的方波電壓波形，然后這兩個(gè)方波電壓(如圖9)經(jīng)過一個(gè)異或門，得到如圖10中的脈沖波形，該脈沖的寬度即為交流電壓和交流電流的相位延時(shí)時(shí)間。根據(jù)下列公式可以計(jì)算出電源進(jìn)線的功率因數(shù)： 根據(jù)上述公式，通過MSP430F149單片機(jī)編程，