高功率因数电源报告

1高功率因数电源摘要高功率因数电源是提高电源输入端功率因数的高性能电源，应用日益广泛。本系统采用有源功率因数校正（APFC）方法，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，从而实现高功率因数电源。系统采用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，且采用单片机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。系统在设计时从布局布线和滤波等方面消除电磁干扰，能够实现电压、电流、功率因数的测量及中文显示功能，界面友好美观。关键词：UCC28019APFCBOOST电路电磁干扰一.方案论证与比较1.总体方案设计与比较方案一采用数字控制方案：采用MCU或DSP通过编程控制完成系统的功率因数校正。框图如图1，MCU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。隔离变压器整流BOOST电路电阻负载MCU~220V36V～18Ｖ隔离驱动输入电压输入电流输出电压图1数字控制方案结构框图采用数字控制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。缺点是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。方案二采用模拟控制方案：采用专用PFC控制芯片来完成系统功率因数的校正。整流后的线电压与误差放大器处理的输出电压相乘，建立电流的参考信号，该参考信号就具有输入电压的波形，同时也具有输出电压的平均幅值。因此在电流反馈信号的作用下，误差放大器控制的PWM信号基本变化规律是成正弦规律变化的，于是得到一个正弦变化的平均电流，其相位与输入电压相同，达到功率因数校正的目的。该方案的优点是，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。模拟PFC控制是当前的工业选择，且技术成熟，成本低，使用方便。通过比较，系统选用方案二，采用TI公司专用PFC控制芯片UCC28019来完成功率因数的校正。2图２、UCC28019控制原理图2.PFC控制方法分析及实现方案：2.1PFC控制方法分析：在开关电源中大容量的滤波电容是导致输入电流畸变引起功率因数降低的主要原因。使输入电流正弦化，并与输入电压同相位，可提高输入电源的功率因数，简称功率因数校正（PFC），PFC有两种控制方法。2.1.1无源PFC（也称被动式PFC）无源PFC一般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0.7～0.8。2.1.2有源PFC（也称主动式PFC）有源功率因数校正简称APFC，主要控制输入电流呈正弦波变化，且与输入电压之间的相位差尽可能接近为0，即功率因数接近为1。按照输入电流的控制，有源功率因数校正有以下几种方法：(a)平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（CCM），该控制方式的优点有：（1）恒频控制。（2）工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。（3）能抑制开关噪声。（4）输入电流波形失真小。（b)滞后电流型：工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流。(c)峰值电流型：工作频率变化，电流不连续（DCM）。(d)电压控制型：工作频率固定，电流不连续。2.2实现方案:在本系统中采用了TI公司的UCC2019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，满足平均电流控制策略的要求。系统控制原理图如图２。二.电路设计与参数计算1.主回路器件的选择及参数计算：由题可知，主电路采用Boost主电路结构，主电路如图3，交流220V输入，经过EMI滤波，隔离变压器选择250W、18V输出的隔离变压器；R1和R4电阻分压检测交流输入电压U2，Rs2取样电阻检测输入电流I20，阻值取0.1欧，输入电流接近7A，整流桥采用15A金属封装的整流桥，R2和R5电阻分压检测整流桥的输出电压，Rs3取样电阻检测电感中的流过的电流，阻值取0.04欧，R3和R6分压检测输出电压，RL1为电阻可变负载，Rs1取样电阻检测输出电流，阻值取0.05欧。3图3主电路图主电路参数计算：输出电压oUV=36，电流2IoA，输入电压最小值iUV(min)=15，设系统效率为0.92，功率因数为0.99，因此输入电流有效值为i36I=2.63A15*0.92*0.99，峰值电流peakiI2*I3.72A，纹波电流rippleripplepeakI=I*I20%*3.720.74A，最大纹波电压为:ripple(max)rippleiiUU*U_6%*(2*U)0.06*2*151.27rectifiedV(min)(min)，因此输入滤波电容为rippleripple(max)I0.741.1218**U8*65*1.27swFfK3C取1uF。电感峰值电流为ripplepeakI0.74I3.724.0922AL_peakI，电感感值为orippleU*(1)36*0.5*0.5L0.187*I65*0.74swDDmHfK(min)，取0.2mH.电路工作频率为65KHz，故电感的参数为0.2mH,工作频率65KHz,最大电流10A。开关管要求工作在65KHz，在系统中取IRFP460,最大反向电压可到500V，最大电流20A，导通电阻小，开关管上升时间为120ns.可满足题目要求。D1二极管主要的功能是使系统快速启动，系统中采用FR307，快恢复二极管D2取1个MUR3060双管并联使用，需要加散热装置。电感电流采样电阻为soc3U0.660.129*1.254.09*1.25sRL_peakI，取120毫欧。输出滤波电容为42222o(min)2**2*72*21.28(min)715U7230oholdupholdupPtWmsCFU，取1000uF。输出电压反馈分压电阻的计算：基准电压为5V，因此输出电压分压电阻分别为：6o36U*5RVRR，取3R=1M，则613.04KR。输入电压分压电阻分4别为：()_(max)2*U2*750.951.6R15AConenablethVUAbridge2vinsI=6.9M因此_(max)5()_(max)*RR2*UenablethAConenablethUVU1bridge=1.6*6.51002*751.60.95MK2.PFC控制电路设计与参数计算：PFC控制电路采用TI公司的专用PFC芯片UCC28019，作为整个校正系统的控制器。UCC28019为持续传导模式的PFC控制器，锯齿波振荡频率为65K，输出方波最高占空比为97%，内带5V的电压基准，推挽式输出的驱动电压可达12.5V，电流达1.5A。具有电源输入软启动保护，以及反馈电压欠压，过压锁存，和峰值电流限制，此外还设有电压，电流反馈补偿端。校正后的功率因数可达0.99以上，特别适用于BOOST升压电路，输入电压范围宽，输出功率大。FPC控制的电路设计如下图示：图４PFC控制及主电路设计图控制电路15V电压供电，图中R7和C7对输入电压值进行滤波，R7采用221欧的电阻，C7取1000pF，Ｃ8是电流环的补偿电容，取值1200pF，C6输入电压采样后的滤波电容，取值0.68uF，C9，C10，R8为电压环的补偿环节，R8取值33.2K，C10取值3.3uF，C9取值0.22uF。3.数字设定及显示电路的设计3.1输出电压设定电路：由UCC28019的PFC控制原理可得，输出电压经分压电阻网络反馈到VSENSE端，与内部5V基准电压比较，来达到输出电压的控制精度。我们采用DA——DAC8811、精密基准源REF5040和加法器电路来控制输出电压在30V~36V之间的设定。其电路图如图5：CLK1SDI2RFB3VREF4IOUT5VDD7GND6CS8U5DAC8811V+5CLKSDICS83267451U6ADOP07AQV+15V-15DAC8811_OUTVREF图５输出电压DA设定电路3.2输出电压、电流测量电路输出电压Uo经电阻分压跟随后送入ADS8326采样转换，ADS8326为TI公司的16位串行SPI接口AD，具有精度高，速度快，功耗低等优点。REF5040为4.096V的基准电压源，用其为ADS8326提供精确的外部基准。电流Io则通过在电路中串入由康铜丝制成的采样电阻Rs１，用仪表运放INA128将其转换为电压再送入AD测量。采用12864中文液晶显示电压、电流值，清晰美观。其电路设计如下。5CH01CH12CH23CH34CH45CH56CH67CH78CLK19Vcc20CS18Din17SHDN10Vcc12Vref11COM9Dout15GND13GND14BUSY16ADS8344+4.096V0.1uF1uFP2.1P2.0P2.2P2.3-V4IN+3IN-2OUT6REF5RG1RG8+V7INA128P电流采集点-12+120.1uF0.1uF10K12345867NE5534AJG+5V0.1uF0.1uF-5V12345867NE5534AJG+5V0.1uF0.1uF-5V电压采集点图６输出电压、电流AD测量电路三.系统测试与结果1.测试仪器仪表：TDS100260MHZ双通道数字存储示波器，DF4121A自动失真测试仪，BM8300L和MAS830L三位半数字万用表、VICTOR8155DUALDISPLAYMULTIMETER、WYK—323B2直流稳压稳流电源、4.5A，75欧滑线变阻器２.测试方法：（１）负载调整率的测试方法：输入电压调为18V，输出设置为36V，调节负载电阻使输出电流为０.6Ａ和1.8Ａ，测量输出电压，分别记为U1和U2，则负载调整率Ｓ＝［（U2－U1）／U2］＊100%，即为负载调整率。（２）电压调整率的测试方法：调节负载是输出电压为36V，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＝［（U4－U3）／３６］＊100%，即为电压调整率。（３）失真度直接用失真度测试仪测量。（４）功率因数的测量：输入电压和输入电流的频率都为50ＨＺ，一个周期20ms，通过20ＭＨｚ的双通道数字示波器测量输入电压和输入电流波形的过零点的时间差t，设t单位为ｍｓ则180t，为输入电压与输入电流的相位差，即可计算功率因数。３.测试数据记录：2.1电压调整率及负载调整率测试（采用万用表测试）电压调整率（Io=2A）负载调整率Uo=36VU2（V）Uo（V）电压调整率Io（A）Uo（V）负载调整率1635.90.27%0.636.010.17%1935.91.835.952.2输入电流失真度及功率因数测试（采用失真度仪，示波器及本系统测试）失真度测量功率因数测量Io（A）电流失真度（%）功率因数（系统测量值）功率因数（示波器测量值）误差（%）０.５7.20.9550.9590.417１.０6.60.9740.9790.510１.５6.30.9820.9850.3046２.０6.00.9890.9910.202２.２5.90.9950.9950.000平均值6.280.9790.9820.2872.3输出电路过流保护测试：若INA128电流采样电路监测到输出电流大于过流值时，将控制继电器切断输出回路，当电流下降到小于过流值时将恢复导通，具有过流及自恢复功能。经测试本系统在输出电流达到２.５Ａ时，具有过流保护功能。2.4输出电压、电流测量电路测试（采用本系统