第二届“蓝电”杯电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）湖北工业大学蓝电中心童剑李杰费恺2014年3月6日摘要本设计以STM32单片机为控制器，采用了 TI公司的UCC280195片，搭建了一个单相 AC-DC变换电路。本系统由变压器模块、 AC-DC变换电路、功率因数检测电路、功率因数 调整电路和电流检测电路等组成。在实验装置的电源电路中，对电源的输出直流电压、直 流电流和电源的功率因数进行了测量，并通过键盘对电源的输出直流电压进行设定。实验 结果表明，当电源的进线交流电压和负载电流，在比较宽的范围内变化的时候，电源的输 出电压能够保持较高的稳定性；具有过流和过压的保护功能。利用UCC28019功率因数校正功能，将电源装置的功率因数提高到了0.98以上，并能够将功率因数在 0.8-1.0之间调整，达到了预期的目标。关键词：STM32单片机、UCC28019 AC-DC变换、功率因数-# -一蓝电杯题目 4二方案论证与比较62.1 PFC 模块-62.2单片机控制电路62.3显示模块62.4功率因数测量电路子系统电路 62.5电路保护模块 72.6直流电源供电模块 8三理论分析与计算93.1功率因数测量方法 93.2提高效率的方法及实现方案 93.3系统整体框图10四功率因数主回路 .10五控制电路与程序控制 125.1程序的设计125.2程序的流程图125.3过流保护电路 13六测试方案与测试结果 146.1测试方案146.2测试条件与仪器 146.3测试结果及分析 15附录一：高功率因数原理附录二：UCC28019外围电路计算附录三：作品实物一蓝电杯题目220V变压器ko-ogUsAC - DC变换电路Rl系统总框图设计并制作如图所示的单相 AC-DC变换电路。输出直流电压稳定在 36V，输出电流额定 值为2A。2.1. 基本要求(1) 在输入交流电压Us=24V输出直流电流Io=2A条件下，使输出直流电压Uo=36V 0.1V。(2) 当Us=24V Io在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率 SI 0.5%。(3) 当Io=2A, Us在20V30V范围内变化时，电压调整率 SU 0.5%。(4) 设计并制作功率因数测量电路，实现AC-DC变换电路输入侧功率因数的测量，测量 误差绝对值不大于0.03。(5) 具有输出过流保护功能，动作电流为 2.5A 0.2A。2.2. 发挥部分(1) 实现功率因数校正，在Us=24V lo=2A, Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路交流输 入侧功率因数不低于0.98。(2) 在Us=24V Io=2A，Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路效率不低于95%(3) 能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围不小于0.801.00,稳态误差 绝对值不大于0.03二.方案论证与比较2.1 PFC模块方案一：采用无源PFC电路。无源PFC电路不使用晶体管等有源器件，而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.70.8。方案二：采用有源PFC电路，有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小， 可以达到很高的功率因数，基本可以达到 98%上，但成本要高出无源PFC一些。本电 路采用是UCC2801芯片。UCC2801啲VINS采集整流后的电压，通过ISENSE端口采集电流来跟踪采集的电压， 减小失真度。VSENS端 口检测反馈电压，在内部进行比较，从 GATE端口输出电压，来驱动MOSFE开关管工作，而且内部具有过压过流保护功能。该芯片具有较强功率因数矫正功能， 使用该芯片能使输入的电压、电流的信号的相位差大大减小，功率因数可以提 高到0.98以上，从而提高电路有功功率。通过比较两种方案，方案二能够更好的实现高功率因数电路的控制要求，故采用方案二。2.2单片机控制电路方案一：采用通俗的51单片机，51单片机运用广泛，有良好的知识做基础，上手快，但 是单片机内部不含ADC电路需要外接A/D转换电路实现其功能。方案二：系统采用stm32f103作为控制芯片，stm32f103内部有丰富的资源，6个8位并 行口其中有两个有中断功能，12位的ADC强大的定时器，大容量的 RAM和ROM Stm32 单片机最大的特色就是超低功耗，适合低功耗的应用场合。比较两种方案，方案二单片机系统更为强大，处理数据能力更强，所以选择方案二。Stm32显著特点1、ARMR新的Cortex-M3内核。优先级抢占的中断控制器，支持中断自动嵌套，硬件 完成现场保护与恢复，中断嵌套时，只需保护和恢复一次现场，即使在恢复现场的时候再 次中断也不需要再次保护现场，只需 6个elk的调整时间。2、居然只需7个滤波电容就能构成最小系统3、外设的引脚居然可以重影射4、RAM然可以通过位绑定技术按位来访问5、居然装备了可编程的掉电监测器6、居然有带电池供电的数据备份寄存器7、芯片进入低功耗模式后可以通过“事件”唤醒，而无须执行中断子程序8定时器居然有前置的倍频器9、2个12位的AD却拥有高达1M的采样速率，AD模式更是天花乱坠，传说中的注入模式10、GPIO刷新速率可设定，支持位的原子操作，还能锁定方向，居然还有个脚叫“入侵检测引脚”，发生“入侵”时硬件自动记录时间，只要有后备电池。为西门子保留了单脉冲的输出功能（据说用于PLC的）11、原来还有一种狗叫模拟看门狗12、可检测PWM脉宽和频率（硬件直接支持）13、集成电机控制和霍尔接口14、原来还有一种狗叫窗口看门狗过早或过晚喂狗，狗都会让系统复位15、还集成了第三只狗，独立看门狗，这种狗比较常见16、SPI还带硬件的CR（校验高达18Mb/s的通讯速度17、 支持两个设备地址的I2C总线，据说任天堂的游戏机常用到这种功能，I2C同时支持SMBUS2.C和PMBU模式18、USART速度高达4.5Mbps,不仅支持IrDA还与接触式的IC卡协议兼容2.3显示模块方案一：数码管内部通过二极管的明灭来进行显示数字，采用4个共阴极数码管作为功率因数测量显示部分，数码管操作简单，执行效率高，价格低方案二：液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域 进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、 适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被 广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。比较两种方案，由于数码管显示字符有限没能满足我们要求，我们组选用市场上面通用LCD1602 LCD1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方 便，控制简单，成本较低等特点.2.4功率因数测量电路子系统电路V CC号控制在P3 5在LM393的输入端加了两个IN4108稳压二极管将输入信1KR624 V AU2V CC-0.7V +0.7 1 之去除咼频信号，滤除信号IO器将正弦信号转变成IN A-OUT BIN A+ IN B -扰；通过IN B +LM3 93V CC7 O UT_A二个施密特分析处理。原理图如图 2所D3D4-图22.5电路保护模块 3:方波-用触集器UT2 /Q2C PCD4013VCC _61D形触发器15V CC642RV CCTTL方波1 QV DD1 /Q2Q1 C P2 /Q1 R D2C P1 D2R D1 S2DV SS2SC D4 01 3U 41 39C D4 01 31 1TitleSizeBD ate:File:5N u mb er8-Sep -20 13D : P rotelEx amp电子兴趣继电器驱动接口电路如图3所示，如果输入信号为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而断电保护。继电器的输出端并联 100Q的电阻和6800pF的电容，目的是2K避免继电器吸合与释放期间产生火花亍每个继电器都有一对常开常闭的触点，便于在其他电路中使电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管,+-3V-1IA驱动方式硬件结构比较I DO 写SSOQpf简单。2.6直流电源供电模块d的电压转换为各个模块IK.的所需的稳定直流电源供电，提供稳定的图43叫ELi -I-ILn.lta r 6采用78系列和79系列芯片 * i j -Ani2v, 5V,，3V3，5V。电路如I 土i3.理论分析与计算3.1功率因数测量方法对于功率因数调整的方法，如图所示，我们通过设定一个合适的电压值，使得电压达 到该值后，电流才能跟踪电压。从而改变开关管的开关占空比，可达到调整功率因数的目功率因数说明：在假设变压器副边电压 U2为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为：I U 21 21 CoSl1 21rn-cos r = vcos rU2I2I2式中：U2、I 2分别为变压器副边的电压、电流有效值，121为I2中的基波分量，；：1为U2和I 21之间的相位差。为计算简单，就用 U2、|2之间相位差的余弦cos作为功率因数3.2提咼效率的方法及实现方案该系统内部的损耗主要集中在 LC滤波电路、隔离变压器、开关管等器件，因此，做 好这些的吸收缓冲和正确的参数选择是提高次系统效率的有效途径。实现方案是：(1) 在开关管D,S两极间加RC吸收缓冲回路。合理的吸收缓冲回路不但降低了功率器 件的浪涌电压和浪涌电流，而且还降低了器件的开关损耗和电磁干扰，避免的器件 的二次击穿。(2) 加粗导线，加大主回路电流容量。(3) 选择导通电阻小的开关管，减少开关管的导通损耗。(4) 减小滤波电感的附加损耗，绕制电感用漆包线尽量增大其线径市电市电1 隔离变压an器|，自譬压，全桥整流1 丿电感3.3系统整体框图采!功率因数调整电路J电容滤计算功率因素电路LCD显示单片机4功率因数主回路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