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1、2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）本科组参赛队号：20130181摘要本装置是一种以升压开关稳压电路，它主要由电源电路、主电路、控制电路、驱动 电路、保护电路构成。电源电路主要由变压器、整流桥和滤波电容构成；主电路由功率 管(MOSFET电力二极管、电感和滤波电容构成；控制电路使JBoost变换器，由核 心控制芯片SG352及其外围电路构成；驱动电路是简单的推挽电路；保护电路主要包括 电流保护和电压保护。功率因数测量部分是以STC单片机A/D转换为核心的检测电路，采用电压互感和电 流互感方式获取电压及电流的米集信号，通过主机控制两个从机分别获取系统输入侧电 压信号和
2、电流信号的相位差。关键字：开关稳压电路 Boost变换器 SG3525 A/D转换电压互感电流互感一、引言由题目要求可知，需设计一个单相AC-D(变换电路。输出直流电压稳定在36V输出 电流额定值为2A该题目基本要求使输出直流电压Uo在 36V 0.1V;当Us=24V, I o在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率SI 0.5%;当Io=2A , Us在20V 30V范围内变化时，电压调整率 SU 图1-1 间接直流变流电路方案二Boost升压斩波电路：拓扑结构如图 1-2所示。开关的开通和关断 受外部PWM&号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压泵 升，而电容C可将输
3、出电压保持住，输出电压和输入电压的关系为 UO=(ton+toff)，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。 该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较咼。ZJLVD1综合比较，我图1-2 Boost升压斩波电路拓扑结构们选择方案二。-E*C 一 Uo Rl及实现方2.1控制方法方案一：利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对 PWM信号 做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，但是系统调试比较 复杂。方案二：利用pw专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定， 满足题目要求。在这里我们选择方案二。2.2功率
4、因数测量及实现方案方案一：利用求出电压和电流的相角差来求取功率因数主要原理如下：设电压信号为：u=Umsin ( + &)电流信号为：i Tmsin - 利用傅立叶算法来计算出I r =二 i & cosN2U R = i&cosN2k 二，N2k二 N ，50Hz的基波分量，电流、电压的实、虚部分分别为:.2 八.2k： NN.2 八.2k二U i = i&cosN* I根据电流的实、虚部的值，可以求出电压的相对相角，再考虑由于顺序采 样引起的电压相角的滞后 一；实际的电压，电流之间的相位差为:X ；：u- I - 1 一 ；功率因数为COST此方法求取电压、电流各自的相位角，理论上完全考虑
5、了系统的不对称性所造成的各次谐波对测量精度的影响。但是，傅氏滤波能够完全滤除各次谐波的条件但是却对于无限长的信号；而采用的全周傅氏滤波方法。并不能滤除高次谐波 以及非周期分量。所以，无法精确测量系统的功率因数。方案二：禾I用过零点测量电压、电流之间的相角。对于某一正弦信号，周期性地 出现过零点。测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。由CPU对过零点打上 时间标签，这个时间标签准确到 2卩s，在CPU内由时钟建立标准50Hz的信号， 并求出被测量信号相对标准50Hz信号的角度，这个角度为绝对角。根据下面的 图1,第j个测量点的过零时刻分别为ti，ti+1.则在ti时刻相对于标准50Hz 信号的
6、过零时刻i*20ms的绝为：&=360( 2000杓-=11 寸(相对参考点的角度为其中，表示第j个测量点， 表示ti时刻参考点相对于i*20ms的角度,ti的单位为相角测量原理图采用这种方法分别测出电压和电流的相角，可以求出电压超前于电流的相角。 然后，即可以求出系统的功率因数，在单相交流电中利用单片机且容易实现，这|Tr、Z-U -UV r-里选择方案。2.3系统框图隔离 变压器(DC)TFT液晶显示供电模块主机MCU从机1MCU功率因数测量电路11 RAM 机系统r输入土刖置系 统hJLr RdCH Uta IKJOiTaKEt?IK图1-5电压互感图1-6电流互感CrNTD10UFGN
7、DP13P15 F30pF30pFC3VCC11.0592MXT AL IRF7220*-P35GNDPLOvccPL1Pl.2pgPl.3POJPl.4PO-2PI.5PO-3PI.6P0.4PL7P0.5PO 6RSTSTCB9C52 往;P3 0/RXDEAPPP3.1-TXDP3.2.-INT0ALEP3.3/1NT1PSENFMtTOP3.5/T1P2.7F 艮&/WRP2.6PS-T.-KDP2.5P3.4XTAL2P23XTAL1P22ENDP24 P2-0vcc匸FWPC1PUP03PQ4pT-PflT-10K图1-7单片机最小系统h11 lin111O98765斗321U1-
8、AINQVCC AIN1EOCAIN2CLOCKAIN3INPUTAIN4OUTAIN5cs AIN6REF十-AIN7REF- AIN8AINIO、GNDArN9VCC.20 TP14Pl 317Fl 2隹召Pl 1PIOTLC2543VCC11 - GNDHeacler I 1GNDAD信号米:集电路图1-8 AD 采样芯片TLC25432.5提咼效率的方法及实现方案1) Boost升压斩波电路中开关管的选取：电力晶体管(GTR耐压高、工作频率 较低、开关损耗大；电力场效应管(PowerMOSFET开关损耗小、工作频率较高。 从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。2)
9、 选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免 产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为20kHz。3) Boost升压电路中二极管的选取：开关电源对于二极管的开关速度要求较高，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。和快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用于低压场合。考虑到降低损耗和低压使用的实际，选择肖特基二极管。三、电路设计和参数计算3.1 Boost升压电路器件的选择及参数计算选择导通电阻小的IRFP360作为开关管，其导通电阻仅为 77r-Q (Vgs=10V,I d=17A)o|R
10、F540击穿电压Vdss为55V，漏极电流最大值为 28(Vgs=10 V，25 C)， 允许最大管耗Pcm可达50V，完全满足电路要求。1 A电流时仅为 实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。3.2肖特基二极管的选择选择ESAD85M-00饉肖特基二极管，其导通压降小，通过0.35V，并且恢复时间短3.3电感的参数计算电感值的计算:._ U IN 2 U O -U INL b2ml o fU o其中，m是脉动电流和平均电流之比取为 0.25，开关频率f=20 kHz,输出电 压为 36V时，Lb=527.48 卩 H,取 530 卩 H。1) 电感线径的计算：最大电流Il为2.5A
11、，电流密度J取4 A/mr线径为d,则 由J *二(-)=I l得d=0.892 mm工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采2取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小3.4电容的参数计算Cbl（U。-Uin）Uof.Uo其中， UO为负载电压变化量，取 20 mV,f=20kH z, U o=36V时,Cb=1465F,取 为2000卩F，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻(ESR, 起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。3.5控制电路的设计和参数计算单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整 PWM控制信号的占空比，实现 稳压输出，
12、同时，单片机和采样电路相结合，将为系统提供过流保护、过热保护、 过压保护等措施，并实现输出电压、输出电流和输入电压的测量和显示。PWM&号占空比D ： 1U IN3.6效率的分析及计算 (Uin=33.6V,输出电压U0=36V,输出电流I O=2A)DC-DC电路输入电压Uin，信号占空比D1-Uin/Uo=0.067,输入电压有效值Iin=Io/ (1-D) =2.14A，输出功率Po=Uo*I o=77W下面计算电路中的损耗P损耗：1) Boost电路中电感的损耗：PDCR1 = I IN2 DCR1其中，DCR为电感的直流电阻，取为 50 mQ,代入可得FDcr=0.68 W2) Boost电路中开关管的损耗开关损耗 P SV=0.5*UlN*| IN (tr+tf) *f其中，tr是开关上升时间，为190ns,tf是开关下降时间，为110ns,f是开关 频率，为20 kHz,代入可得Psw=0.2160 W导通损耗PC = D ( I in ( Rdson 1.3 Rsns)其中，导通电阻Rdso=77 mQ,电流感应电阻RSns取 0.1 Q ,代入得FC=1.23W3) 肖特基二极管的损耗流过二极管的电流值和输出电流10相等，则二极管损耗Pd=IoVd其中，lo=2 A,取二极管压降Vd为0.35 V，代入可得Pd=0.7 W4) 两
