2013年全国电子设计大赛A题论文

2013年全国电子设计大赛单相AC-DC变换电路（A题）设计报告作者：参赛学校：北京邮电大学2013年8月31日摘要：本系统由四个模块组成：整流滤波电路，DC-DC电路，PFC控制电路和数据采集电路。

DC-DC电路部分为Boost电路，通过控制开关管通断的占空比来达到控制输出电压的目的。

PFC电路以UCC28019为核心。

UCC28019是专用的功率因数校正控制芯片，能以极小的谐波失真获得接近单位功率因数的水平。

该芯片通过双闭环完成控制功率因数，内环为电流环，外环为电压环。

数据检测部分以单片机C8051f020为核心，通过片内AD采样输出电压和电流，通过相位差测量法测量功率因数。

另外单片机还能控制继电器完成过流保护的功能。

本设计具有输出电压稳定，电压和负载调整率小，高功率因数和高AC-DC转换效率的特点。

关键词：Boost电路；PFC控制；UCC28019；C8051f020一、方案设计与论证1方案的比较与选择通过初步分析，我们认为要实现电路要求的功能，可以将电路整体进行划分，各模块功能如下图所示：2方案的描述与论证下面就电路的主要模块：整流模块，BOOST升压电路，PFC控制电路，检测电路以及过流保护电路模块进行方案选择与论证。

（1）整流方案比较：方案一：由于整流电路结构比较简单，所以可以采用二极管和电容搭建出模拟的全波整流桥，但是一般来说这样的电路效率不高，所以不采用。

方案二：采用集成整流桥，配合铝电解电容进行滤波。

这种方案有比较成熟的芯片技术为基础，更加简单可靠。

（2）BOOST升压电路与PFC控制模块：BOOST基本的结构如下：使用通过控制S1的开合的占空比，可以调节电路的输出电压。

这里采用脉宽调制技术（PWM）进行控制。

方案一：采用FPGA实现通过对后级反馈回的信号采样计算，纯软件计算调整PWM波的占空比等控制参数，这样可以简化电路，减少功耗，降低材料和装配的成本，而且可减小干扰，但是程序设计复杂，限于本组知识和能力的限制，不选用该方案。

方案二：采用集成芯片实现经查询资料，发现TI公司的功率因数校正芯片UCC28019可以很好地满足要求，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1的功率因数。

而且芯片应用简单，保护功能强大，驱动能力强，调试简单，由UCC28019组成的PFC电路,只调节一个放大器的补偿网络即可。

因此，此方案相对来说简单易行，而且实验结果证明该方案完全达到题目的要求。

（3）功率因数检测：电路的功率因数PF=γcos∅，其中∅为输入电压和输入电流的相位差，γ为输入电流失真系数，当γ为定值，测出相位差再经过余弦运算即可得到PF。

方案一：波形分析法首先分别对电压和电流进行采样，得到各自离散的采样序列，然后进行离散傅里叶变换（DFT变换）。

再分别根据DFT变换后得到的电压、电流的实部和虚部。

计算出各自的基波初相φ1、φ2。

根据电路理论，电压与电流的相位差θ=|φ1−φ2|，功率因数为cosθ。

这种方法从基本理论出发，采样速率较高时比较准确，但是需要大量软件资源，在这里来说没有必要。

所以不采用此方案。

方案二：过零鉴相法将提取的的正弦电压电流信号经过放大整形后成为方波信号,其前后沿对应于正弦信号的正向过零点和负向过零点,将两个方波信号分别送入RS触发器的置位端和复位端,基准方波信号的前沿(或后沿)将触发器置位,测量方波的前沿(或后沿)将其复位。

RS触发器输出的脉冲宽度,即电压信号的过零点与电流信号的过零点之时间差。

设电压、电流信号分别为:u1(t)=E sin(ωt1)；u2(t)=E sin(ωt2−φ)；u1(t)过零的时刻为t1, u2(t)过零的时刻为t2当u1(t)=u2(t)=0可得:ωt1=ωt2−φ=nπ所以相位差为:φ=ωt1−ωt2=2π∆t/T式中∆t=t1−t2, T为周期。

上式表明,两个同频率的正弦信号的相位差可以用它们相应的过零点的时间差来表征。

所以本测量可以通过测量两个矩形波信号的占空比的方法来测量。

此种方案降低了软件算法的难度，可以用单片机计算，精度满足要求，电路也比较简单，所以我们采用这种方法。

（4）输出电压电流测量：方案一：利用A/D专用芯片。

利用A/D专用芯片可以保证数据测量的精确，但是这会增加系统电路的复杂性与功耗。

方案二：利用C8051f020内部自带的A/D转换器进行采样，由于使用了12位精度，能够达到要求，所以最终采用此方案。

二理论分析与计算1提高效率的办法2功率因数调整的方法由于实际应用中的负载一般为感性，所以功率因数调整可以在负载端并联电容器，电感负载需要的无功功率就有一部分从电容器获得补偿，即电感负载所需的磁场能量不再全部由电源供给。

这就减少了电源供给的无功功率，从而提高了功率因数。

补偿电容器容量计算提高功率因数所需补偿电容器的无功功率的容量Q k，可根据负载有功功率的大小，负载原有的功率因数cosφ1及提高后的功率因数cosφ2来决定，其计算方法如下：设有功功率为P，无电容器补偿时的功率因数cosφ1，则由功率三角形可知，无电容器补偿时的感性无功功率为：Q1=P tanφ1并联电容器后，电路的功率因数提高到cosφ2，并联电容器后的无功功率为：Q2=P tanφ2由电容器补偿的无功功率Q k显然应等于负载并联电容器前后的无功功率的改变，Q k=Q1−Q2=P tanφ1−P tanφ2=P(tanφ1−tanφ2)（式1）根据（式1）就可以算出要补偿的电容器容量，将：Q k=U2ωC代入（式1），有C=P(tanφ1−tanφ2)/(ωU2)（式2）这样就计算出了调整功率因数时需要在电路并联的电容量。

3稳压控制方法三电路与程序设计1主回路与器件选择主回路：关键器件选择 （1）开关管的选择：本设计最大输出电压为36V ，开关管实际最大漏源电流为4.825A ，但是考虑到到实际电压电流尖峰和冲击，故开关管的最大正向耐压值(V DDS =75V)和通过的正向电流(I D =82A)应该有一定余量基于上述要求，我们选用IRFP2807，满足题目要求。

而且这个开关管导通电阻(R DS (on )=13mOhm)小，损耗小，有利于提高效率。

（2）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30BQ060，其允许通过的最大正向电流为3A ，反向耐压典型值为60V ，完全满足题目的要求。

电感与电容的选择 （1）电路参数的计算：输出电压U 0稳定为36V ，负载电流最大为2.5A ，根据题目要求，AD-DC 变换电路效率η取95%，功率因数取0.98，变压器输出的电压有效值在20~30V 之间。

由U in ∙I in ∙PF ∙η=U 0∙I 0得输入电流的有效值：I in_rms =36×2.520×0.95×0.98=4.825A 输入电流的峰值：I in_peak =√2I in_rms =6.82A 输入电流的平均值：I in_avg =2I in_peakπ=4.34A（2）电感参数的计算：输入的纹波电流：I ripple =0.2I ripple(max)=1.36A 通过电感最大峰值电流I peak =I in_peak +0.5I ripple =7.5A 根据BOOST 电路输出表达式PWM 占空比D=23，电感L ≥U 0D (1−D )f∙I ripple=36×0.33×0.6665×1.36=0.09mH ，其中f =65kHz 为芯片频率，所以我们选择1mH 并且允许通过最大电流为10A 的电感。

（3）输入滤波电容的参数计算：C in =I ripple 8f∙V ripple= 1.368×65k×1.70=1.54uF ，实际我们选择2.2uF 电容，其中纹波电压V ripple =0.06×√2×V in =1.70V 。

（4）输出电容的参数计算：C out ≥2P out t holdup V out 2−V out−holdup2=2×90×21.28362−302=9600uF （5）UCC28019采样电阻的计算：R sense =V soc1.25I L_peak(max)=0.661.25×7.5=0.07Ω其中I L_peak(max)为电感的峰值电流，V soc 为V sense 脚的最低工作电压。

（6）UCC28019其它参数根据芯片手册计算得出： 输入分压电阻：R Vins1=2M Ω；R Vins2=100k Ω。

输出分压电阻：R FB1=1M Ω；R FB2选择200k 的滑动变阻器调V sense 的电压。

2控制电路与控制程序（1）控制电路电流检测电路电压检测电路相位测量电路电路采用LM311滞回比较器、对隔离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 。

（类似此种写法）在功率电源入口处用470K:20K 金属膜电阻分压到合适电压后进行电压采样，电流则由40 毫欧电阻高端采样后经隔离差动放大器HCPL7800 放大后再由仪表放大器AD620转换成单端电压，送给A/D 采样，其中HCPL7800和AD620带有48倍的增益，将电压放大到2V 左右，保证采样电流有足够的精度（适当更改）程序通过C8051f020内置的A/D 转换器在采样电阻上对电压进行采样，从而计算出电压和电流，并在液晶屏上显示；同时，由于相位测量电路已经把相位差的测量转化为方波占空比的测量，所以程序利用单片机片外中断INT1检测下降沿，和PCA0计数器中断检测上升沿从而计算出方波的占空比，从而得出功率因数相位测量时使用的主程序和中断服务程序流程图：3过流保护电路中断服务程序流程图主程序流程图过流保护主要使用单片机控制继电器的方式，单片机在测量系统电路电流的时候，如果发现其值大于阈值，单片机就会发出电平信号控制继电器断开电路，同时指示灯亮发出过流警告。

四系统测试方案与结果1测试方案及测试条件测试仪器清单：2测试结果及其完整性基础部分：（1）输出直流电压测试：测试方法：测试数据：（2）负载调整率测试：测试方法：测试数据：（3）电压调整率测试：测试方法：测试数据：（4）功率因数测量电路测试：测试方法：测试数据：（5）过流保护电路测试：测试方法：测试数据：发挥部分：（1）输入侧功率因数测试：测试方法：测试数据：（2）AC-DC变换电路效率测试：测试方法：测试数据：3测试结果分析五总结六附录（电路图，源程序）参考文献。