单相ACDC变换电路(A题)设计报告全国电子设计竞赛.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC/DC变换电路（A题）II摘 要 本系统以Boost升压斩波电路为核心，采用PFC功率因数校正专用控制芯片UCC28019产生PWM波形，进行闭环反馈控制，从而实现稳压输出实验结果表明：电源进线的交流电压和负载电流在比较宽的范围内变化时，电源输出直流电压能够保持较高的稳定性，电源交流输入功率因数达到89%，效率达到92%，具有良好的电压调整率和负载调整率，此外，本系统还具有输出2.5A过流保护，输出功率因数的测量与显示功能关键词：开关电源 UCC28019 Boost电路 功率因数校正 【Abstract】This system in order to Boost the Boost chopper circuit as the core, adopts PFC control chip dedicated power factor correction UCC28019 PWM waveforms, the closed-loop feedback control, so as to realize the voltage output. The experimental results show that the power supply into line voltage and load current changes in a comparatively wide scope, can maintain the stability of the high power output dc voltage, power supply ac input power factor reaches more than 89%, efficiency of 92%, has the good voltage regulation and load regulation, In addition, this system also has 2.5 A output over-current protection, the measurement and display of power factor of the output.目 录1系统方案 11.1 DC／DC变换模块的论证和选择 11.2 PFC控制方案的论证和选择 22系统理论分析与计算 22.1电路设计的分析 22.1.1主电路的分析 22.1.2控制电路的分析 32.1.3功率因数测量电路的分析 62.2主回路器件的选择及参数计算 62.3 PFC控制电路参数计算 93电路与程序设计 103.1电路的设计 103.1.1系统总体框图 103.1.2 主电路子系统框图与电路原理图 113.1.3 辅助电路子系统框图与电路原理图 123.1.4辅助电源 133.2程序的设计 133.2.1程序功能描述与设计思路 133.2.2程序流程图 144测试方案与测试结果 144.1测试方案 144.2 测试条件与仪器 154.3 测试结果及分析 154.3.1测试结果(数据) 154.3.2测试分析与结论 16附录1：电路原理图 17附录2：源程序 18单相AC/DC变换电路（A题）1系统方案1.1 DC／DC变换模块的论证和选择方案一：Buck型拓扑结构变换器：该方案可在隔离变压器输出端进行三倍压整流，再将直流电压通过Buck型拓扑结构进行降压变换实现。

但采用Buck型变换器输入端电压偏高，驱动电路和控制电路的电源方案较麻烦，并且可靠性不高图1 Buck 电路原理图　　方案二：型拓扑结构变换器：它的输出电压极性与输入电压相反，但其值可以高于、等于或低于输入电压的值其输入和输出电流都是连续的，经两个电感的补偿耦合，将输入和输出的波纹电流和电压抑制到零，但内部谐振使传递作用断续或在某些频率上削弱输入波纹抑制在耦合电感线圈和变压器隔离的结构中，由于“开关导通”初期的冲击耦合电流会引起输出电压反向，并且也存在稳定性问题图2电路原理图方案三：Boost型拓扑结构变换器：Boost升压斩波电路：拓扑结构如图3所示开关的开通和关断受外部PWM信号控制，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可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为=()，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，效率较高图3 Boost电路原理图通过以上综合分析比较，Boost型拓扑结构变换器是DC／DC变换器的理想选择1.2 PFC控制方案的论证和选择一般功率因数校正的控制方法有模拟控制方法和数字控制方法，为此设想了以下几种控制方案：方案一：采用DSP+BOOST实现： 采用纯软件调整控制参数，比如，PWM波的占空比，一般的使用数字控制可以减少元器件的数量，减少材料和装配的成本，而且可减小干扰，但限于本组知识和能力的限制，不选用该方案。

方案二：采用BOOST+UC3854实现： UC3854是一种工作于平均电流的的升压型有源功率因数校正电路它的峰值开关电流近似等于输入电流是目前较为广泛使用的APFC电路该方案所实现的PFC电路，要调节UC3854的电压放大器，电流放大器和乘法器方案三：采用BOOST+UCC28019实现： UCC28019是TI公司新近推出的一种功率因数校正芯片，该芯片采用平均电流模式对功率因数进行校正，使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1％，实现了接近于l的功率因数UCC28019组成的PFC电路,只调节一个放大器的补偿网络即可 比较三种方案，发现方案三，设计步骤减少了好几步，相对来说简单易行，而且实验结果证明该方案完全达到题目的要求综上所述，选用方案三2系统理论分析与计算2.1电路设计的分析本文设计了一个直流输出电压为36V、电流2A的高功率因数开关电源，其交流输入电压为24V，该电路包括主电路，控制电路，测量电路和保护电路四部分从输入的交流电220V 开始，经过隔离变压器调压成交流电24V后送入全桥整流电路进行整流，再经过高频滤波电容后送给主电路，主电路为Boost 电路，由PFC 芯片UCC28019 控制开关管导通关断，经过Boost电路升压后电压变为36V。

控制电路和测量电路包括PFC控制电路和单片机测量控制电路，PFC控制电路由专用PFC芯片组成，单片机测量控制电路主要是输出侧通过电阻分压并用电压、电流传感器进行采集比较送至单片机进行功率因数测量显示保护电路是PFC芯片的过压和过流保护2.1.1主电路的分析Boost变换电路由Q1、电感L1、二极管D1和输出电容C0组成，原理图如图4所示：图4 Boost变换电路原理图工作原理：在和开关管Q1之间串接电感L1，电感的下端通过整流二极管D1给输出电容C0及负载供电当Q1在Ton时段导通时，D1反偏，L1的电流线性上升直到 ,此时了L1存储了能量由于在Q1导通时段输出电流完全由C0提供，所以C0应选得足够大，以使在Ton时段向负载供电时其电压降低能满足要求Q1关断时，由于电感电流不能突变，L1的电压极性颠倒，L1异名端电压相对同名端为正L1同名端为且L1经D1向C0充电，使C0两端电压高于，此时电感储能给负载提供电流并补充C0单独向负载供电时损失的电荷若Q1下次导通之前，流过D1的电流已下降到零，则认为上次Q1导通时存储于L1中的能量已释放完毕，电路工作于不连续模式；反之若电流在关断时间结束时还未下降到零，则由于电感电流不能突变，Q1下次导通时电流上升会有一个阶梯，此时称电路工作于连续模式。

输出电压的调整是通过负反馈环控制Q1导通时间实现的若直流负载电流上升，则导通时间会自动增加为负载提供更多能量若下降而Ton不变，则峰值电流即L1的储能会下降，导致输出电压下降但负反馈环会检测到电压的下降，并通过增大Ton来维持输出电压恒定2.1.2控制电路的分析UCC28109芯片介绍：UCC28019是一款8引脚的连续导电模式（CCM）控制器，该器件具有宽泛的通用输入范围，适用于100W至2kW以上的功率变换器有源功率因数校正控制器UCC28019使用Boost拓扑结构，工作于电流连续导电模式欠压锁定期间的启动电流低于200uA用户可以通过调整VSENSE脚的电压低于0.77V而使系统工作于低功耗待机模式该控制器不需要检测电网电压，利用平均电流控制模式可以实现输入电流较低的波形畸变，大大减少了元器件数量简单的外围电路非常便于对电压环和电流环进行灵活的补偿设计开关频率可以控制在±5%的精度，可以为外部开关管提供快速1.5A峰值栅极驱动电流该控制器具有许多系统级的保护功能，主要包括峰值电流限制，软过电流保护，开环检测，输入掉电保护，输出过压、欠压保护，过载保护，软启动，芯片内部将栅极驱动电压箝位于12.5V等。

1) UCC28019的特点连续导电模式控制器UCC28019具有以下特点： ① 不需要对电网电压进行检测，减少了外围元器件② 宽范围的通用交流输入电压③ 65kHz的固定开关频率④ 最大占空比达97%⑤ 输出过压、欠压保护，输入掉电保护⑥ 单周峰值电流限制⑦ 开环保护⑧ 低功耗待机模式(2) UCC28019引脚说明UCC28019采用8-Lead PDIP和8-Lead SOIC两种封装形式，其引脚排列如图5所示，引脚功能介绍如下GND GATE ICOMP VCCISENSE VSENSEVINS VCOMP12348765图5 UCC28019的引脚排列（SOIC-8、PDIP-8）表2.1 UCC28019引脚功能说明引脚号引脚符号引脚功能1GND芯片接地端2ICOMP电流环路补偿，跨导电流放大器输出端，引脚的工作电压高于0.6V3ISENSE电感电流检测该管脚通过对电流检测电阻外接一220电阻可以有效抑制浪涌电流的涌入4VINS交流输入电压检测当系统交流输入电压高于用户定义的正常工作电压或低于掉电保护电压时，输入掉电保护（IBOP）动作5VCOMP电压环路补偿。

该引脚经过外部阻容电路接地，构成电压环路补偿器6VSENSE输出电压检测Boost PFC变换器的直流输入电压经过电阻分压器采样后接入该引脚，为了滤除高频噪声干扰，该引脚对地外接一个小电容7VCC芯片工作电源为防止高频噪声对电源的干扰，通常该管脚对地外接一个0.1uF的陶瓷电容，并且尽量靠近UCC28019芯片8GATE栅极驱动推挽式栅极驱动，可以驱动外部一个或多个功率MOSFET，提供1.5～2.0A电流驱动(3)UCC28019的内部结构和工作原理UCC28019是一款在连续工作模式下，以固定频率工作的具有功率因数校正功能(PFC)的控制芯片，该芯片具有软启动、欠/过压保护、过流保护、开路保护以及峰值电流限制等功能，UCC28019内部结构框图如图6所示：图6 UCC28019内部框图UCC28019的控制调节功。