单相AC DC变换电路

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1、2013 年全国大学生电子设计竞赛AC-DC变换电路（题）A单相【第五组】月年 201397 日- 1-摘要本设计以TI公司的MSP430F149单片机为控制器，采用了 TI公司的UCC28019 芯片，搭建了一个单相AC-DC变换电路。本系统由变压器模块、AC-DC变换电路、 功率因数检测电路、功率因数调整电路和电流检测电路等组成。在实验装置的电 源电路中，对电源的输出直流电压、直流电流和电源的功率因数进行了测量，并 通过键盘对电源的输出直流电压进行设定。实验结果表明，当电源的进线交流电 压和负载电流，在比较宽的范围内变化的时候，电源的输出电压能够保持较高的 稳定性；具有过流和过压的保护功能

2、。利用UCC28019功率因数校正功能，将电 源装置的功率因数提高到了0.98以上，并能够将功率因数在0.8-1.0之间调整， 达到了预期的目标。关键词：MSP430F149单片机、UCC28019、AC-DC变换、功率因数。方案论证220V变压器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。220V. 50Hz市电22OV/22OV变压器耦娈压器桥流路全整电容波路电滤电1f采集电流电压11r计算功率因数电路功率因 数调整 电路幵关管功率因 数控制 电路采样输 出电压.系统总框图1、PFC模块方案一：采用无源 PFC 电路。无源 PFC 电路不使

3、用晶体管等有源器件，而是由 二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。采用电感补偿方法使交流输入的基 波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源 PFC 的功率因数不是很高 只能达到0.70.8。方案二：采用有源 PFC 电路，有源 PFC 由电感电容及电子元器件组成，体积小， 可以达到很高的功率因数,基本可以达到98%以上，但成本要高出无源PFC 一些。 本电路采用是UCC28019芯片UCC28019的VINS采集整流后的电压，通过ISENSE 端口采集电流来跟踪采集的电压，减小失真度。VSENSE端口检测反馈电压，在 内部进行比较，从 GATE 端口输出电压，来驱动 MOSFET 开

4、关管工作，而且内部具 有过压过流保护功能。该芯片具有较强 - 3 - 功率因数矫正功能，使用该芯片能使输入的电压、电流的信号的相位差大大减小， 功率因数可以提高到0.98以上，从而提高电路有功功率。 通过比较两种方案，方案二能够更好的实现高功率因数电路的控制要求，故采用cZ方案。有源功率因数校正模块2、电路降压型PFC方案一:采用降压型PFC电路。 导通时，如图所示，其工作过程如下：当开关管Q流过电感线圈，在电感线圈 未饱和前，电电流IL两端产生自关断时，L线性增加；当开关管Q流IL开关管 所受的最大感电动势，向电容和负载供电。1图电压为输人电压的最大值，因此开关管的电压应力 ；当后级短路时，

5、可以利用开关管实现 输出短较小所以在每个正弦周期中，由于只有在输人电压高于输出电压时，该电 路才能工作，路保护。该电路有一段因输人电压低而不能正常工作，输出电压较 低，在相同功率等级时，后级加之输人开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱 动较复杂，DC/DC变换器电流应力较大；电流断续，功率因数不可能提高很多， 因此很少被采用。2 PFC主电路如图采用升压型PFC电路。升压型方案二：IL 流所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流!l I过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储 存在电感线圈中，此时，电容C放电为VL,两端产生自感电动势；当Q截止时, L负载提供能量

6、VIN串联向电容和以保持电流方向不变。这样，VL与电源负载 供电。输入电流完全连续，并且在整个输人电压的正；电感电弦周期内都可以调制，因此可获得很高的功率因数 输入电流连续，开关管的电 流即为输入电流，容易调节;流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于电 网电压变化特别大的场合。主要缺点是 输出电压比较高，且不能利用开关管实 现输出短路保护。 种方案，方案二明显优于方案一，因此我们选择方案二。对 于以上2 、单片机控制电路3 单片机运用广泛，有良好的知识做基础，上手 快，但51采用通俗的单片机，51方案一：，电路需要外接A/D转换电路实现 其功能。是单片机内部不含ADC位86作为控制芯片，M

7、SP430F149内部有丰富的 资源，个MSP430F149方案二：系统采用MSP430R0M。和，并行口其中有两个有 中断功能，12位的ADC强大的定时器，大容量的RAM单片机最大的特色就是超 低功耗，适合低功耗的应用场合。 比较两种方案，方案二外围电路更加简单， 所以选择方案二。 二、 理论分析与计算 1、功率因数调整方法 - 4-对于功率因数调整的方法，如图所示，我们通过设定一个合适的电压值，使得电 压达到该值后，电流才能跟踪电压。从而改变开关管的开关占空比，可达到调整功率因数说明：在假设变压器副边电压 U 为标准正弦波条件下，功率因数的计算 公 2 式为：?IIcosU?coscosv

8、?UII ?为 U 中的基波分量，和 I212112 11 222分别为变压器副边的电压、电流有效值，I为I式中：U、222221? cos作为功率 因数。之间相位差的余弦UI之间的相位差。为计算简单，就用、I22212、稳压 控制方法UCC28019 通过双闭环控制：电流内环和电压外环。电流内环的作用是控制网侧 输入电流的波形和相位；电压外环的作用是控制输入电流的幅度，以使输出直流 电压在各种扰动下保持期望值。该控制系统具有许多系统级的保护功能，主要包 括峰值电流限制、软过流保护、开环检测、输入掉电保护、输出欠压过压保护、 软启动等功能。由芯片 UCC28019工作原理知其输出 PWM 波形

9、占空比是根据电压环路的反馈电压输入到 6 脚与 芯片内部+5V基准电压进行比较，经差分放大后改变PWM斜率。系统稳定时6脚的电压 为5 V,通过控制D/A的输出来控制UCC28019的6脚电压，进而控制最终的 输出，即数字设定 - 5-输出。3、提高效率的方法及实现方案该系统内部的损耗主要集中在LC滤波电路、隔离变压器、开关管等器件，因此， 做好这些的吸收缓冲和正确的参数选择是提高次系统效率的有效途径。实现方案 是：（1）在开关管D,S两极间加RC吸收缓冲回路。合理的吸收缓冲回路不但降低 了功率器件的浪涌电压和浪涌电流，而且还降低了器件的开关损耗和电磁干扰， 避免的器件的二次击穿。2）加粗导线

10、，加大主回路电流容量。3）选择导通电阻小的开关管，减少开关管的导通损耗。4）减小滤波电感的附加损耗，绕制电感用漆包线尽量增大其线径。三、电路与程序设计 附录一为主电路原理图，本电路是采用的有源 PFC 电路来提高电路的功率因数， 通过采集到的电压、电流值来控制GATE端的输出来驱动MOSFET开关管，控制升 压电感中的电流，从而提高功率因数。本电路由UCC28019构成一个有源PFC电路，它是一种高功率因数校正集成控制 电路芯片，采用有源PFC电路能更好的提高功率因数，且输出的DC电压纹波很 小。UCC28019的VINS采集整流后的电压，通过ISENSE端口采集电流来跟踪采集的 电压，减小失

11、真VSENSE端口检测反馈电压，在内部进行比较，从GATE端口输 出电压，来驱动MOSFET开关管工作。开关管闭合时，电流流入电感，升压电感 储存能量，负载电流由滤波电容供给。开关管断开时，升压电感电流经升压二极 管输出到负载，并对滤波电容充电。使PFC电路输出电压比输入更高，且通过升 压电感的电流由不连续变为连续，这样就改变了原来电流导通角小存在的问题， 并且使电流导通角的大小跟随电压的变化规律。该芯片自带过流保护，通过单片 机自带的 A/D 转换电路采集直流电压和直流电流，1、主回路与器件选择1）功率因数主回路附录三为UCC28019芯片的内部框图及应用电路。整流后的输入电压经过电阻 Rv

12、ins 1和R分压，送入VINS端，通过ISENSE端采集到的电流信号来跟踪VINS采 集到的电压。VINS2通电后，振荡器开始振荡，输出65KHz定时脉冲进入RS寄存 器，与其他各路控制信号共同决定GATE端输出的驱动脉冲，控制MOSFET开关管 工作。PFC控制：ISENSE端采集电流信号与VSENSE端采集到的电压反馈信号共同作用， 与一锯齿波进行比较，输出决定与两输入端的相对电压，只有当反相端输入电压 大于同相端的锯齿波电压才能有输出，这样RS寄存器的转换时间就得到了控制, 即实现了 PFC控制。其中ICOMP端和VCOMP端分别给ISENSE端和VSENSE端提供 电流补偿和电压补偿

13、。保护电路：欠压锁定：当电源电压低于9.5V时，进入欠压锁定状态，UVLO信号 将与门锁死，驱动级因而无输出；当电压回升至10.5V时,与门锁定解除。过压 保护：PFC电路输出电压通过R和R分压，从VSENSE端进入，当过压比较器的 输入电压大于5.25V时，输fb2B1出信号OVP使芯片进入过压保护状态。过流保护： 芯片具有两个过流保护功能，峰值电流限制和软过流保护，当ISENSE端检测电 压达到-0.73V时，输出信号SOC会改变PWM的占空比；当电压达到T.08V时， 输出信号PCL将与门锁死，从而关闭GATE端。- 6-2）功率因数调整回路对于功率因数调整环节， 通过取经滤波电路滤波后

14、的电 压，并设定一个合适 的电压值，通过一个比较器比较后使其输UCC28019出的信号为方波。再与8 脚输出的电压通过一个与门的 相与，输出的信号再通过一非门，增大其负载能 力，同时也去除波形的毛刺。如图所示，可以通过改变比较电压的值，从调整 R6 而改变开关的占空比，使得能够 达到调整功率因数的作用。、控制电路与控制程序2传感器检测出电压，输出的电压该图为直流输出电流电压测试电路，通过ACS712 组成的放大器放大后，通过OPO7通过一个电容放电后，再通过一个由 V=2.5+0.185*1转换电路A/D 一个比较器后再通过一个异或门和电压异或，被outpMSP430F149单片机自带的单片机

15、进行数值处理，计采集，将采集到的模拟信号 转换成数字信号，送给MSP430F149电路的直流输出电压。PFC算结果在数码管 显示。通过键盘设定程序流程如下图所示：_.-1 十y口 J tir键盘设置参数数值处理*液晶显乔1、过流保护电路3 实时监控输入电压和输出电流的值，在输出电流上升到A/D本系统采用单片机通过0.2A)时启动控制程序切断继电器使电路开路。从而实现输出过流保护功能。=(2.5AI测试方案与测试结果四、主要测量仪器1、EE1641B1； 函数发生器：DS1102CA数字示波器:;CC1201电参数测试仪：数字万用表：DM3068；接触式调压器：TDGC2-1、测试结果及分析2经过实验测试，实验结果如下所述:误差36.04V,2.046A, StopCHVolb/PiYgQi100MHz0.1VCH2 Z1.00y 50.050HzM 5.00ms30-Aug-081M州 LimitProbe 1N VoltageInvertM Pos: C.OOOs输出电压为当输入交流电压=24.1V，输出直流电流Io为（1）Us。的绝对值小于CH1CouplingCH2CH2 广 M