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1、高功率因数电源（E题）摘要本设计由四个模块电路构成：整流滤波，DCDC变换部分，PFC校正和显示模块。整流滤波采用两级组成，前级为消除干扰电路，后级为整流电路。DCDC变换部分为Boost电路。PFC校正采用UCC28019。显示模块由霍尔电流传感器及单片机共同协作完成。本设计功率因数高、抗干扰能力强为特长，具有输入电压范围宽、输出电压稳定且连续可调、过载能力强的特点。关键词：Boost电路；功率因数，PFC校正；一、方案论证在本设计中，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。1、DCDC变换方案方案一：使用PWM斩波后利用高频变压器隔离升压的方案。由于高频变压器的加工
2、设计等问题，加工难度大，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，电路结构复杂，线路之间的影响较大。方案二：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。本设计采用方案二。2、PFC控制方案方案一：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 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。方案二：选用MC332
3、60芯片，MC33260跟随升压操作具有所需电感较小和价格便宜的优点，但由于存在潜在的EMI问题，需要一个设计精巧的输入滤波器，难度较大。方案三：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，选择方案三。3、总体框架由以上各模块方案论证，得出总体框架设计如图1-1所示,本设计核心运用了功率因
4、数校正技术其基本原理如下：消除EMI干扰后，经过桥式整流、滤波得到直流电源。通过功率因数校正技术控制Boost升压电路的开关工作频率。利用单片机MSP430中的A/D转换，将电流、电压通过LCD显示出来。图11二、电路设计与参数计算任务中要求负载电流最大为2A，输出电压Uo稳定在36V，由这两个条件可求出最大输出功率，因此可首先计算出最大输出功率UoIo2A36V=72W最大RMS输入线电流由以下参数确定根据以上计算，可算出最大输入电流1、桥式整流滤波电路本电路的目的在于从50Hz、220V的交流电压中得到直流电压。电路图及参数见附录1所示。由于MOSFET管工作时频繁的开关，因此对电路的干扰
5、较大，在整流电路前加入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。 2、Boost升压电路本设计采用Boost升压斩波电路，计算输出电容C4，假定输出电压最低不低于30V,则可图21Boost电
6、路见右上图算出C4最小值由于C4大于或等于7738F，因此本设计中选用10000F。计算出Boost电路中电感的值。本设计中采用0.1mH。3、PFC控制电路PFC控制部分的电路设计见附录1，芯片管脚3电流信号的采集通常采用串联一个电阻，这种方案电路结构简单，成本低，开关电流通过MOSFET开关源串连的分路电阻转换为一个电压。该分压电阻从源极（地）连接到输入整流器返回引脚3。这种检测电流的方法会产生一个负电压，这对于IC而言并不理想，但方案容易实现，所以本方案采用串联一个电阻。经计算 ，本方案用0.05。4、连续可调输出电压电路本设计通过编程，用单片机控制数字电位器接入电路中的阻值，从而达到输
7、出电压连续可调的目的，同时将电压数值显示在LCD。将芯片X9312管脚5和管脚6窜连接入电路中即可实现滑动变阻器的作用如图22。图22图中R10 、R6、Rx（）组成的局部电路该电路可实现输出电压在30V到36V之间连续可调，局部电如右图所示。Rx为数字位器X9312。由 UCC28019管脚6的特性可知，a点的电压为5V，R10为8 k,由此可得出 R6及数字电位器的范围最大为9.6k。 流经干路中的电流为： 5、测量及显示电路a、功率因数测量电路，电路图如图23所示， 根据公式进行编程，即可算出功率因数。图23 功率因数测量电路b、设计测量输出电压、电流电路图如图24所示，该电路采用霍耳传
8、感器采集电流信号，提高了采集信号的精度，减小了测量误差。单片机内部具有D/A转换功能，通过编程即可将输出电压、电流显示在LCD上。图24三、测试方法与数据1、测试方法a、调节输入电压，使隔离变压器副端输出电压在15V19V之间，用数字万用表测出隔离变压器负端电压。在改变电压的同时用数字万用表测输出端电压及负载的电流，数据如下表：输出电压Uo(V)1516171819平均值输出电压Uo(V)34.8235.5336.036.0636.0335.67误差绝对值3.28%1.31%0%0.17%0.08%0.97%4.76%4.56%5.034.43%4.34%4.62%0.960.970.980.
9、970.980.97注：输出电流为2A,标准输出电压为36Vb、改变负载电阻的大小（控制电流在0.5A2A，用数字万用表测出输出端电流、电压，数据如下：次数12345平均值输出电流Io(A)0.51.01.51.82.0输出电压Uo(V)36.0236.0336.1035.9835.9736.02误差绝对值0.06%0.08%0.03%0.06%0.08%0.06%注：主电路输入电压为18V, 标准输出电压为36 Vc、调整隔离变压器的输入电压，但必须保证副边电压在15V19V之间，用数字万用表分别测出输出电压和输出电流，并与测量电路进行比较，共测量5组数据，填入下表中： 次数1234平均误差
10、实测（V）30.0132.0433.9836.01LCD显示（V）30323436误差绝对值0.03%0.13%0.06%0.03%0.05%2、测试仪器(1)数字万用表(2)双踪示波器GOS6051(50MHz) (3)失真度测试仪四、测试结果分析1、输出电压分析本电路实现了输出电压可稳定在30V36V 之间任一整数数值，经计算，误差的绝对值小于0.05，超过指标要求。改变负载电阻阻值的大小，输出电压扔稳定在预先设定值。2、经示波器显示，隔离变压器副边电流I的波形为正弦波，失真度为4.62%。3、电路的功率因数为0.97，优于题设中的指标。4、输出电压和电流测量电路，误差绝对值小。误差分析综
11、合分析可知测试电路中可能带来的误差因数有：1、测输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差。2、电流表内阻传入回路造成的误差。3、测试隔离变压器副边电压、电流时示波器造成的误差。可以通过以下方法改进1、减小接触点的微小电阻。2、根据电流表的内阻对测量结果进行修正。3、用示波器进行测量时采用手动同步。4、采用更高精度的元件。以上测试结果表明，相关指标达到或超过试题的设计要求，所设计方案是可行的。参考文献： 1 毛兴武等. 功率因数校正原理与控制IC及其应用设计北京：中国电力出版社，20072 王兆安等. 电力电子技术北京：机械工业出版社，20003 张乃国.电子电源技术与应用北京：机械工业出版社，
12、2007.4附录1：整体电路图附录2：LCD及显示键盘与单片机接口电路附录3：图31副电源电路图确定输入电容3输入电容C由输入纹波电流和输入纹波电压决定因此可以计算出输入电容：附录4：主程序：通过键盘的按键对采样显示、设置电压、过流保护、电源关断等进行设置Main:#include#includestdio.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#includelcd1602.h#include key.c#include adc.c#include setv.h#include cos.hvoid setv(void);/系
13、统初始化void init_lcdport() P5DIR|=0xff; P3DIR|=BIT2; P3DIR|=BIT3; P3DIR|=BIT5; return; int main()WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /关闭看门狗 init_lcdport(); lcd_init(); initKey(); clr(); while(1) if(value=16) clr(); lcd_display(5,start); value=0; if(value=12) clr(); lcd_display(5,end); /断电 value=0; if(value=11) clr(); value=0; setv(); if(value=13) clr();
