高功率因数电源设计.doc

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1、 目录摘要31.设计任务与要求4 1.1设计任务4 1.2技术指标4 1.3题目评价42. 方案比较与论证5 2.1各种方案比较与选择5 2.2方案论证63.系统硬件设计63.1系统总体设计与计算63.2单元电路设计与参数计算93.3单元电路的具体实现104.系统软件设计125. 系统组装13 5.1 整体结构图及工艺说明13 5.2 面板图及可调部件说明146. 系统调试14 6.1电路的测试方案14 6.2测试仪器15 6.3测试结果157. 系统存在的不足和改进方向16参考文献17致谢18附录1 总电路原理图 19附录2 印制电路板图19附录3 程序清单20附录4 元器件清单21 摘要:

2、本系统以UCC28019为控制核心，实现有源功率因数校正，在控制方法上采用了平均电流控制策略，通过对BOOST主电路拓扑结构的升压电路的输入电流进行控制，使其达到与输入电压同频且相位差为0，功率因数接近于1，从而实现输出电压稳定在36V，最大输出电流为2A的高功率因数电源。采用UCC28019作为控制器，提高了电源的功率因数，具有良好的电压调整率和负载调整率，输入电流波形失真度小。此外，本系统采用51单片机为检测控制核心，对整个系统进行监测，可测量输出电压、输出电流、功率因数以及可实现输出电压自动设置等功能。关键词：UCC28019 PFC BOOST电路 Abstract:This syst

3、em use UCC28019 as its control core, and realize the active of power factor correction. In control method, it used the average current control strategy. By controlling the input current of the BOOST circuit with topological structure in BOOST Main circuit,it has the same frequency as input voltage a

4、nd the difference in phase is 0.The power factor is close to 1.This power supply with high power factor realize the output voltage is stable at 36 V, the maximum output current is 2 A . The UCC28019 as a controller can improve the power supplys power factor, has good voltage adjustment rate and load

5、 regulation, the distortions in input current waveform is small. In addition, the system use 51 SCM as the core detection control which has the functions as measuring the output voltage , output current, power factor and realizing the output voltage automatically set etc. Key Word: UCC28019, PFC, BO

6、OST Circuit 1、设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源，要求输出直流电压UO为36V，最大负载电流为2A，负载为电阻性负载，其电路原理框图如图1所示。I2UI=220VACU2=18VAC隔 离变压器整流电路PFC控制电路IoUORL图1 高功率因数整流电源示意图1.2技术指标（1） 当电压U2为(1519)V，负载电流IO为(0.52)A时，要求输出电压UO 稳定在36V，其误差的绝对值小于5% 。 （2）变压器副边电流I2的波形应为正弦波，失真度小于5% 。 （3）电路功率因数大于0.95（在变压器副边测量）。 （4）输出电路具有过流

7、保护功能(输出电流IO达2.5A时自动保护)。 （5）当U2电压为18V，负载电流为(0.52)A时，能对输出电压UO在(3036)V范围内设定，其测量误差的绝对值小于2% 。 （6）设计制作功率因数测量电路，其测量误差的绝对值小于2% 。发挥部分（1） 设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路，其测量误差绝对值小于2%。（2） 其他。 1.3题目评价该题的特色是：在内容上，理论设计和实际制作的综合性较强，涉及多个知识面，对知识的联系、整合、应用的要求较高。我们认为该题目难度为中偏上，设计电路及实物制作上具有一定的挑战性，能很好地锻炼我们针对实际问题进行电子设计制作的能力，培养我们的创新意识和

8、团队协作的人文精神，能全面检验和加强我们的理论基础和实践能力。2、方案比较与论证 2.1 各种方案比较与选择 本题的任务是设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源，为了实现题目的要求，设计出一高功率因数电源，故本题的关键在于功率因数校正。由电路的功率因数，其中为输入电压和输入电流的相位差，为输入电流失真系数，可知，要想提高电路的功率因数，要从以下两个方面考虑：使输入电流与输入电压尽可能同相位。使输入电流尽可能趋近于正弦波形。 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，按有源无源又可分为两种 :无源PFC（也称为被动式PFC）、 有源PFC（也称为主动式PFC）。 而

9、有源功率因数校正按照输入电流的控制有以下几种方法：平均电流型、滞后电流型 、 峰值电流型 、电压控制型 。 为此我们设想了以下几种控制方案：方案一：采用DSP+BOOST实现该方案的控制方法为数字控制，即采用DSP通过编程控制完成系统的功率因数校正，DSP时刻检测输入电压、输入电流以及输出电压的值，在程序中经过一定的算法后输出PWM控制信号，经过隔离和驱动控制开关管，从而提高输入端的功率因数。方案二：采用BOOST+UC3854实现。 该方案的控制方法为模拟控制方法。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

10、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 该方案的控制方法与方案二相同都是模拟控制方法。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。 首先，我们经过分析得出采用数字控制方法的优点是通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量，减少材料和装配的成本，而且可减小干扰。缺点是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达

11、到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。而采用模拟控制方法的优点是，使用专用IC芯片，简单直接，无需软件编程。缺点是电路调试麻烦，易受噪声干扰。然后，我们考虑到本组人员的知识和能力的有限，采用数字控制来实现很困难，且模拟PFC控制是当前的工业选择，技术成熟，成本低，使用方便。所以我们排除了对方案一的选用。 最后，比较方案二和方案三，可以发现方案三的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。 2.2 方案证论 综合上述，结合题目的要求和我们自身的技术特点,定下以下最终实施方案: 在本系统中采用了TI公司的UCC280

12、19作为有源功率因数校正的控制器，实现有源功率因数校正，在控制方法上采用了平均电流控制策略。UCC28019为持续传导模式的PFC控制器，能满足平均电流控制策略的要求。系统控制原理框图如图2所示。220V自耦变压器18VUCC2801936V交流输入整流电路BOOST电路电阻负载PFC控制电路 图2 UCC28019控制系统框图 ucc28019 是一款8 引脚的开关模式控制器，能以极小的谐波失真获得接近单位功率因数的水平，非常适用于低成本的PFC 应用。该器件具有宽泛的通用输入范围，适用于100W 至2kW 以上的功率因数变换器。Ucc28019 主要应用于Boost 拓扑结构的功率因数校正

13、，以固定的开关频率工作于连续导通模式（CCM），简单的外围电路网络便可对电压环和电流环进行灵活的补偿设计。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，软启动等功能。由此可见，采用方案三能够达到完成题目的设计任务的目的，选择UCC28019从性能和指标上考虑，这也是最理想的。经过分析后，我们得出结论：总体上，方案三设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源是可行的。3. 系统硬件设计 3.1 系统的总体设计与系统的计算 3.1.1 总体设计 根据设计要求中的整体示意图，可确定系统主要构造为：主电路，控制电

14、路，测量电路和保护电路四部分。其总体结构框图如图3所示，从输入的交流电220V 开始，经过隔离变压器调压成交流电18V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AD 进行采集送至单片机进行电压测量显示，同样通过采集采样电阻电压进行电流测量显示。保护电路由PFC芯片的过压和过流保护，以及AD检测输出电流的大小，过流则关断单片

15、机控制继电器。 图3 系统总体框图 本系统在假设变压器副边电压为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为： 式中：、分别为变压器副边的电压、电流有效值，为中的基波分量，为和之间的相位差。考虑到本题得特点，为计算简单，可以用、之间的相位差的余弦作为功率因数。 3.1.2 参数计算及器件的选择 本系统选择了220V-18V，功率为50W的自耦变压器，金属封装的整流桥KBPC2510。继电器选择SWDIP-3用于过流时保护用的动作开关,开关管选用场效应管IRFP460,以及续流二极管、输入电感、输入滤波电容、输出电容的选择在下面分别进行计算分析。a.开关管的选择 本设计最大输出电压为36V，开关管实际

16、最大漏源电流为6.588A，但是考虑到到实际电压电流尖峰和冲击，电压和电流余量分别取为2.5和2倍。故开关管的最大正向耐压值大于90V，通过的正向电流大于13.18A。基于上述要求，我们选用IRFP460.，其，完全能满足题目的要求。b. 续流二极管的选择 由于采用BOOST拓扑结构，通过续流二极管的最大电流为2.5A，承受反向的最大电压值为36V，为此选用MUR3060，其允许通过的最大正向电流为30A，反向耐压典型值为400V，完全满足题目的要求。c.输入电感参数的计算 根据能量守恒定律，可知 输入电流的有效值输入电流的峰值输入纹波电流 纹波电压 其中0.06为电压纹波系数 通过电感的峰值

17、电流 感值为了留取一定的裕量，故选择感值1mH，允许通过电流最大值为10A左右的电感。d. 输入滤波电容参数的计算 输入滤波电容的作用是滤除高频成分。 e. 输出电容参数的计算 该电容的选择主要是满足输出电压保持时间；当要求在保持时间内，开关电源输出电压不低于30V时，则输出滤波电容容量按下式计算： 实际我们选择的滤波电容为：9400uF。f. 整流桥的选择 通过整流桥中每个二极管的电流 反向承受电压为 我们选择金属封装的整流桥KBPC2510 ，其正向电流最大为15，反向耐压值为1200，完全满足要求。 3.2 单元电路的设计与参数计算 3.2.1功率因素测量电路 采用LM311滞回比较器、

18、对变压器二次侧的电压电流信号整形、处理为占空比固定的方波后，通过由74LS74构成的鉴相电路、得到输入电压、输入电流的相位差，然后通过单片机测量并显示功率因数值。根据理论计算和实际测量结果，确定LM311的阈值电压为15mV。 图4 相位测量原理框图 3.2.2电压和电流测量电路 电压测量电路的设计 为了进行输出电压的测量，我们将输出电压经过电阻分压到合适的值，然后经过电压跟随和AD的采集。测量的精度在于所选用AD的精度，为此选用高精度的AD转换器ADS1286 。 电流测量电路的设计 由于电流取样电阻不可能很大，实际我们选择0.1的康铜丝作为采样电阻，即使输出电流为2.5A的时候，输出电压也

19、只有0.25V，为了提高测量精度，我们先将康铜丝两端的电压进行仪表放大和适当的滤波，然后进行电压跟随和AD采集，这里我们也选用12位分辨率的AD转换器ADS1286。 图5 输出电压电流测量原理框图 3.2.3.过流保护及显示电路 通过改变UCC28019芯片6脚Vsen处的反馈电压，可以精确调整到设定电压，然后通过LCD1602液晶显示设定电压值、输出电压电流值、功率因数测量值、信号频率值。我们采用DADAC8811、精密基准源REF5040和加法器电路来控制输出电压在30V36V之间的设定。AD检测输出电流的大小，一旦过流，就将单片机控制继电器关断。 3.3 单元电路的具体实现 3.3.1

20、主电源电路 图6 主电源电路 3.3.2PFC控制电路 图7 PFC控制电路 3.3.3功率因素测量电路 图8 相位测量电路 3.3.4电压和电流测量电路 图9 输出电压电流测量电路 3.3.5过流保护及显示电路图10 显示电路 图11 过流保护电路 总电路原理图见附录1。 4系统软件设计 我们所选择的单片机是TI公司51系列单片机80C51,此单片机功能全面,具有很强的通用性,简单易用,可操作性极强.虽说它的速度比不上现在最新的一些单片机,但是对于我们现在所设计的系统,80C51单片机已经能够胜任了.单片机所要处理的工作主要分为两个部分.其一:基本工作。包括LCD显示,键盘扫瞄等；其二:核心

21、处理工作。ADS1286将值采进单片机以后,单片机必须根据所采进来的值,分析判断，将其转化为最终的模拟量送到液晶显示，显示功率因素等相关参数的值。这个部分的工作是软件上的难点。其中的处理方法有很多。但我们所要做的就是在充分理解的基础之上,找出一条最优化的路子。首先，画出系统主要程序流程图如图12所示。程序清单见附录3。 图12 主要程序流程图 5系统的组装 PCB板图见附录2。5.1 整机结构图及工艺说明 主电路（未覆铜） 测量电路（未覆铜）5.3 面板图及可调部件说明6 系统调试 6.1 电路的测试方法 （）负载调整率的测试方法：在输入电压调为18V，输出电压设置为36V的条件下，调节负载电

22、阻使输出电流为.6和1.8，测量输出电压，分别记为U1和U2，则负载调整率（U2U1）U2100%，即为负载调整率。（）电压调整率的测试方法：调节负载当输出电压达到稳定值36V时，使输出电流为1.2A。调节调压器，使整流电路输入电压分别为15V和19V，测量这两种情况下输出电压，分别记为U3和U4，则电压调整率S1（U4U3）100%，即为电压调整率。（）电压电流测量与显示测试方法：调节负载电阻，在系统输出电压稳定时，通过键盘设定输出电压，记录仪器测试的输出电压电流以及液晶显示值。（）功率因数的测量：通过调节负载，输出不同电流值的情况下，用示波器的探头夹在鉴相的输出点，测量波形的占空比D，即可

23、计算功率因数 ，与液晶显示的功率因数PF1比较计算误差。(5)输出电压的设定的测试方法：通过设定UCC28019芯片6脚处的反馈，可以精确调整到设定电压。(6)电流保护测试方法：调节负载大小，使输出电流达到2.5A时，通过单片机采样电流信号大小控制继电器过流保护。 6.2 测试仪器 测试仪器名称型号数量双踪示波器TDS10021高精度万用表VICTOR 8155 1 6.3 测试结果电压调整率测试（采用万用表测试）输入电压从15V变到19V，输出电压的测试数据如表1：表1 电压调整率测试数据 二次侧电压/V1516171819输出电压/V由上述数据知，电压调整率=负载调整率测试（采用万用表测试

24、）从大到小改变负载电阻，保证输出电流Io=2A以内的条件下记录输出电压Uo和输出电流Io。记录数据如表2： 表2 负载调整率测试数据输出电流/A0.60.91.8输出电压/V由以上数据知，负载调整率=（3）电压电流测量与显示测试（采用万用表测试及本系统测试电路） 记录仪器测试的输出电压电流以及液晶显示值记录数据如表3和表4。 表3 输出电压测试数据 测量次数设定电压输出电压值测量电压值误差136.00235.00330.00 表4 输出电流测试数据 测量次数设定电压输出电流值测量电流值误差136.00235.00330.00（4）功率因数测试（采用示波器及本系统测试电路） 波形的占空比测试数据

25、如表5。 表5 功率因数测量数据I/ADPF0PF1误差0.51.01.52.0 说明：I为输出电流值，D为示波器的测试的占空比， ，PF1为液晶显示的功率因数。（5） 输出电压设定测试（采用万用表测试） 表6 输出电压设定测试输出电压设定测试表（=2A）设定值（V）30313233343536测量值（V）误差（）测试结果分析：本次测试，比较困难的就是在输入电压信号和输入电流信号的采样与共地问题上，输入电流取样电阻采用温度系数较好的康铜丝，若康铜丝过大，则会导致系统的效率降低，间接导致输出电流达不到额定值。在利用LM311滞回比较器时候发现，对于小信号一定要在LM311输出端口接较大阻值的上拉

26、电阻，这样信号处理后波形比较稳定，便于功率因数的测量。 7 系统电路存在的不足和改进的方向 本次设计是基于UCC29019的PFC高功率因数电源，在某些指标上有不足之处。产生误差的可能原因有：（）系统的电磁干扰，有源功率因数校正工作在65KHZ，开关管工作频率高，开关的工作过程会引起电路的电磁干扰，特别是在通用板上布局布线。（）器件本身的精度存在误差。(3)整流后失真电压波形引起纹波误差，交流电经桥式整流后并不能得到很平滑的波形，而UCC28019 内部工作原理是:电流调节为平均电流采样模式,跟踪电压波形的电流波形经滤波放大后与三角波比较,所以整流后失真电压波形引起纹波误差，这个误差将导致输出

27、PWM 波误差。（4)功率因数不可能校正为1，电流毛刺很严重，电感电流上不去。 针对上述问题，可以提出以下几个改进的方法：（）制作PCB板代替通用板，在布线时考虑电磁屏蔽。（）采用性能更加优良的器件，增加系统的散热系统，以寻求提高系统的整体指标。（3）芯片在设计上能将整流后失真电压波形引起纹波误差考虑在内，达到更佳的设计效果。 参考文献1汪经伟,林福泳.一种新型高功率因数直流电源.通信电源技术,2009,(26)2钟海峰,王剑斌,张文嘉.基于ucc28019的高功率因数电源设计.电脑知识与 技术,2009,(05)3吴小斐,王归新,陶鑫,莫显聪.基于有源功率因数校正的高功率因数电源设计. 电源

28、技术,2010,(02）4左学杰，钟炎平，陈耀军.基于UCC28019的高功率因数电源设计.电源技术应 用,2009,(12) 致谢感谢指导老师朱华贵和张勇一直以来对本设计的关注和指导，从本电子设计的选题、查阅资料、整体构思直至硬件与软件方面的实现导师给了很大的指导。同时，感谢指导老师给我们提供这个锻炼的平台和相互学习的环境，使得我们在针对实际问题进行电子设计制作的能力上有了实质性的提高。虽然此次设计的结果不是很理想，跟导师相处的时间短暂，但是在这个过程中我们仍然受益匪浅。在此，谨向辛勤培养我们的导师致以深深的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我们的良师益友。 附录 附录1 总电路原理图 附录2 印制电路板图主电路测量电路 附录3 元器件清单 芯片： 74LS74 2 LM311 4 ADOP07AH 6 UCC28019 1 INA122 1 OPA277 2 ADS1286 2 REF5040 1220V-18V，功率为50W的自耦变压器全金属封装整流桥KBPC2510转换开关 SWDIP-3场效应管IRFP460二极管 MUR3060电感 330uH19