搜索
-1-第三届“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-2-摘要本设计以STM32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：STM32单片机、UCC28019、AC-DC变换、功率因数。-3-目录一蓝电杯题目..................................................................................................................................4二方案论证与比较-------------------------------------------------------------------------------------------62.1PFC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-4-一蓝电杯题目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0.2A～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，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0.03-5-二.方案论证与比较2.1PFC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0.7～0.8。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%以上，但成本要高出无源PFC一些。本电路采用是UCC28019芯片。UCC28019的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。VSENSE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MOSFET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、ARM最新的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clk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居然可以通过位绑定技术按位来访问-6-5、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CRC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SMBUS2.0和PMBUS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-7-在LM393的输入端加了两个IN4108稳压二极管