《单相ACDC 变换电路A题论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单相ACDC 变换电路A题论文（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、.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】2013年9月7日摘要：本设计利用PFC控制系统和51单片机控制系统，通过对电路系统实施监控和调整，来达到对电路性能的提升，以保证电路输出满足题目要求，负载电压误差不超过0.1V,负载调整率和电压调整率均不超过0.5%，功率因数在95%以上。并且能够使电路在出现过流时能系统断电，实现保护，保证整个电路系统安全、高效的运行。关键词：PFC控制，单片机控制，自行校正目 录1.设计任务52.设计要求52.1基本要求52.2发挥部分53.设计方案评定与选择6方案一：6方案二：6方案三：64.单元模块设计74.1 AC/DC电源
2、模块74.2 Boost升压模块74.2.1Boost升压结构特性分析74.2.2 样机电路设计94.2.3储能电感L104.2.4 输出电压取样电阻R1、R2114.2.5 开关S114.2.6 输出二极管D和输出电容器C2114.2.7 外补偿网络114.2.8 斜坡补偿124.3 功率因数校正模块144.4 功率因数测量模块144.5 电路保护模块154.6 89C54单片机控制模块154.7 LCD液晶显示模块154.7.1液晶显示原理154.7.2引脚功能说明164.7.3 1602液晶模块的指令（说明：1为高电平、0为低电平）164.8 直流电源供电模块175.程序设计176.系统
3、调试与分析186.1测试仪器：186.2 硬件调试186.3 软件调试186.4 软硬联调196.5结果分析（系统对题目完成情况）197结束语19参考文献：19附录一：控制电路20附录二：源程序20单相AC-DC 变换电路（A题）【本科组】1.设计任务设计并制作如图1 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1 单相AC-DC 变换电路原理框图2.设计要求2.1.基本要求 （1）在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A 条件下，使输出直流电压Uo=36V0.1V。 （2）当Us=24V，Io 在0.2A2.0A 范围内变化时，负载调整率SI
4、0.5%。 （3）当Io=2A，Us 在20V30V 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 变换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2.5A0.2A。2.2.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0.801.00，稳态误差绝对
5、值不大于0.033.设计方案评定与选择89C52单片机控制模块、LCD液晶显示模块、按键控制模块、直流电源供电模块组成。在本设计中，核心采用PFC校正技术，因此重点对PFC控制方案的选取进行论证。方案一：使用PWM斩波后利用高频变压器隔离升压的方案。该方案电路原理简单，所需元器件少，方便焊接。但由于高频变压器的加工设计等问题，改进难度大，使用受到限制，而且其电压需要高频整流滤波，电压毛刺较大，精度低，所以不用该方案。方案二：选用TI公司的UC3854。UC3854封装引脚多，从而导致应用电路复杂，线路之间的干扰较大，因此产品的噪声较大。对焊接工艺要求较高，而且调试电路的难度较大。UC3854
6、组成的PFC 电路还需要调节电压放大器电流、放大器和乘法器。方案三：采用带PFC的Boost型DCDC升压器。该电路有专用的控制芯片，容易实现，电路结构简单，同时采用PFC功率因数校正技术，功耗低，输出电压范围宽。输出电压波形中毛刺也比方案一要小。选用TI公司的UCC28019。UCC28019交流输入市电电流总谐波畸变率低，功率校正因数高，抗干扰能力强，封装引脚较少，PFC控制部分电路相对简单。只需调节一个放大器的补偿网络即可, 高压起动源直接接在高压输入端，光耦直接接到IC 的端子，不再处理放大器的补偿，前沿消隐做在IC 内部，IC 外部只有电流取样。这样的做法使设计的步骤减少了。综合比较
7、，选择方案三。方案流程图如图2所示图2 方案流程图4.单元模块设计4.1 AC/DC电源模块自耦变压器是输出和输入共用一组线圈的特殊变压器。通过改变初、次级的线圈匝数比的关系来改变初、次级线圈端电压，实现电压的变换。由于初级和次级线圈直接相连，致使会有跨级漏电的危险。隔离变压器是一种1/1的变压器，它的输出端跟输入端是完全“断路”隔离的，这样就有效的对变压器的输入端起到了一个良好的过滤作用，从而给用电设备提供了纯净的电源电压。加之它的次级不与大地相连，任意两线与大地之间没有电位差，人接触任意一条线都不会发生触电，这样就比较安全。由于MOSFET管工作时频繁的开关，因此对电路的干扰较大，在整流电
8、路前加入EMI滤波电路，从而达到降低噪声的作用。设计中还加入了压敏电阻VAR1,当电路中回路电流过大时，压敏电阻VAR1闭合保险丝F1熔断从而达到保护电路的目的。当输入为220V交流电压时，首先经过隔离变压器降至18V左右交流电压。再经过保护和滤波后输出端接入整流桥，整流部分选用了全波桥式整流电路，输出为直流电压。在选择二极管时，其额定正向电流必须大于流过它的平均电流ID，其反向击穿电压必须大于它两端承受的最大反向电压VRM 。由此确定整流二极管的参数。 利用上述特点，按自耦变压器、隔离变压器和桥式整流器的顺序将三者连接起来，就够成了一个可调、滤波、安全的AC/DC降压模块，如图3所示。图3A
9、C/DC降压模块4.2 Boost升压模块4.2.1Boost升压结构特性分析 Boost升压电路，可以工作在电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式(CCM)。CCM工作模式适合大功率输出电路，考虑到负载达到10以上时，电感电流需保持连续状态，因此，按CCM工作模式来进行特性分析。Boost拓扑结构升压电路基本波形如图3所示 图4 Boost升压电路基本波形 ton时，开关管S为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为Vi，考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降Vs，即为Vi-Vs。ton时通过L的电流增加部分ILon满足式(1)。 (1)式中：
10、Vs为开关管导通时的压降和电流取样电阻Rs上的压降之和，约0.60.9V。 toff时，开关管S截止，二极管D处于导通状态，储存在电感L中的能量提供给输出，流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管D的正向电压为Vf，toff时，电感L两端的电压为Vo+Vf-Vi，电流的减少部分ILoff满足式(2)。 (2)式中：Vf为整流二极管正向压降，快恢复二极管约0.8V，肖特基二极管约0.5V。 在电路稳定状态下，即从电流连续后到最大输出时，ILon=ILoFf，由式(1)和(2)可得 (3)因占空比，即最大占空比 (4)如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率，即 (5)由式(4)和式(5
11、)得电感器平均电流 (6)同时由式(1)得电感器电流纹波 (7)式中：f为开关频率。为保证电流连续，电感电流应满足 (8)考虑到式(6)、式(7)和式(8)，可得到满足电流连续情况下的电感值为 (9)另外，由Boost升压电路结构可知，开关管电流峰值Is(max)=二极管电流峰值Id(max)=电感器电流峰值ILP， (10)开关管耐压 (11)二极管反向耐压 (12)4.2.2 样机电路设计样机的电路图如图2所示，是基于UCC28019控制的升压式DCDC变换器。电路的技术指标为：输入Vi=18V，输出Vo=30V、Io=2A，频率f49 kHz，输出纹波噪声1。根据技术指标要求，结合Boo
12、st电路结构的定性分析，对图5的样机电路设计与关键参数的选择进行具体的说明。 图5 Boost升压模块4.2.3储能电感L根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4)得DMAX=0.4当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足式(9)，L=220H同时考虑在10额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的2030，因增加IL可以减小电感L，但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容C2，取30为平衡点，即流过电感L的峰值电流由式（10）得L可选用电感量为200500H且通过4.5A以上电流不会饱和的电感器。电感的设计包括磁芯材料、尺
13、寸选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。而选用线径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温升。4.2.4 输出电压取样电阻R1、R2因UCC28019的脚2为误差放大器反向输入端，芯片内正向输入端为基准2.5v，可知输出电压Vo=2.5(1+R1R2)，根据输出电压可确定取样电阻R1、R2的取值。由于储能电感的作用，在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻Rs上产生一个尖峰脉冲，为防止造成UC3842的误动作，在Rs取样点到UC3842的脚3间加入R、
14、C滤波电路，R、C时间常数约等于电流尖峰的持续时间。4.2.5 开关管S开关管的电流峰值由式(10)得Iv(max)=ILP=4.17A开关管的耐压由式(11)得Vds(off)=Vo+Vf=30+0.8=30.8V按20的余量，可选用6A50V以上的开关管。为使温升较低，应选用Rds较小的MOS开关管，要考虑的是通态电阻Rds会随PN结温度T1的升高而增大。下图为实测开关管的开关电压波形和电流瞬态波形图如图6所示。图6 实测开关管的开关电压波形和电流瞬态波形图4.2.6 输出二极管D和输出电容器C2升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流。二极管的峰值电流Id(max)=ILP=5.11A，本电路可选用6A50V以上的快恢复二极管，若采用正向压降低
