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单相AC-DC变换电路作者：电控学院：符祝辉通信学院：姚扬帆通信学院：杨茜日期：2016年06月25日单相AC-DC变换电路摘要本设计以TI公司的MSP430F169单片机为控制器，采用了TI公司的UCC28019芯片，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：MSP430F169；UCC28019；AC-DC变换；功率因数2方案设计与论证2.1总方案设计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。图2-1系统总框图2.2功能描述2.2.1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0.2A~2.0A范围内变化时，负载调整率SI≤0.5%；（3）当Io=2A，Us在20V~30V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220V/220V隔离变压器自耦变压器全桥整流电路电容滤波电路电阻性负载采集电流电压计算功率因数电路键盘MSP430F1691602显示功率因数调整电路功率因数控制电路采样输出电流电压开关管数的测量，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。2.2.2发挥部分（1）实现功率因数校正，在Us=24V，Io=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0.80~1.00，稳态误差绝对值不大于0.03。3硬件方案设计与论证3.1PFC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1：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2：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3：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。3.2整流变换电路整流电路是能够将交流电能转换为直流电能的变换器。方案1：单相半波整流电路利用二极管的单向导电性，交流的正半周内，二极管导通，在负载上输出正向脉动直流电压电流，交流的负半周内，二极管截止，负载上没有电压输出，电路如图3.3所示。图3.3单相半波整流电路方案2：单相桥式全波整流电路桥式整流电路是以四个整流二极管接成电桥形式，利用二极管的电流导通作用，在交流e2的正半周内，D1、D3导通，D2、D4截止，负载RL上得到上正下负的输出电压，在负半周内，正好相反，流过RL的电流方向与正半周一致，因此整个周期内负载上都有方向不变的脉动直流电压电流，电路如图3.4所示。图3.4单相桥式全波整流电路方案3：单相PWM整流电路该电路同样利用了二极管单向导电性，电容电感滤波，最后负载上输出值流，电路如图3.5所示。图3.5单相PWM整流电路方案选择：在单项半波整流电路中，变压器中有直流分量流过，降低了变压器效率，整流电路的脉动成分太大，对滤波电路要求太高，只适用于小电流整流；而单项PWM整流电路是升压型整流电路，其输出直流电压可以从交流电源电压峰值附近向高调节，如果向低调节就会使电路性能恶化，以致不能工作；单项桥式整流电路是目前使用最多的整流电路，其输出直流电压比单项半波高，输出电压脉动比单项半波小，变压器利用率高，所以我们选择了方案2。3.3电压互感器采样模块：电压互感器利用的是电磁感应原理，是由闭合铁芯和绕组组成，对电路电压进行采样。图3.6电压互感器采样电路图3.4电流互感器采样模块：电流互感器运行情况相当于二次侧短路的变压器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，对电路电流采样。图3.7电流互感器采样电路图3.5辅助供电部分辅助电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供+5V和+12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用LM2596实现，原理图如图3.8所示：图3.7LM2596辅助供电电路图4软件与算法设计4.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现显示功能。显示部分：显示功率因数。2、程序设计思路系统软件控制功率因数测量部分的侧相电路工作。上电后，系统进行初始化，然后调用取样子程序，检测当前电压电流的相位差，根据测量公式显示功率因数。4.2程序流程图主程序流程图和计算公式流程图如图4.1所示：图4.1程序流程图5系统测试与结果5.1测试仪器电路测试中使用的仪器设备及其用途如表1所示。开始m=20Φ=N*2П/（N+M）cos的计算a=cos返回是否开始初始化数据处理显示初设功率因数值KEY1=1显示被测功率因数值KEY2=1是否是序号仪器名称数量用途1数字示波器1测试电源驱动波形及纹波2直流稳压电源1开关电源供电3数字万用表2测试410欧100W负载1测试开关电源功率表1电源部分测试使用仪器5.2测试方法系统硬件方案完成后，各模块焊接，检测完毕后，连线无误，再逐步对各模块进行测试。5.3测试结果表4系统数据测试参考文献[1]周洁敏等.开关电源磁性元件理论及设计[M].北京航空航天大学出版社，2014[2]谭浩强.C语言程序设计教程[M].清华大学出版社，2007[3]王守华等.模拟电子技术.[M].西安电子科技大学出版社，2011[4]董敏等.数字电子技术.[M].西安电子科技大学出版社,2010[5]SanjayaManiktala.精通开关电源设计（第二版）.[M].人民邮电出版社，2013[6]王水平、贾静等.开关稳压电源原理及设计.[M].人民邮电出版社，2008[7][8][9]李智奇.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计[M].西安电子科技大学出版社,2008.[10]王兆安、刘进军主编《电力电子技术》第五版[M].机械工业出版社附录1：电路原理图图1第一级PFC系统原理图图1第二级DC-DC系统原理图