曲阜師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 明利濤

1.整體方案設(shè)計(jì)

本方案通過(guò)有源功率因數(shù)校正技術(shù)與BOOST電路共同構(gòu)成AC-DC轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)反饋信號(hào)使UCC28019芯片在GATE端生成一定占空比的方波，從而驅(qū)動(dòng)大容量MOSFET的柵極改變其導(dǎo)通率，進(jìn)而完成輸出電壓的穩(wěn)定。同時(shí)采用A/D進(jìn)行負(fù)載端采樣并將采樣結(jié)果送入單片機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載兩端電流超過(guò)2.5A，單片機(jī)就會(huì)相應(yīng)地輸出觸發(fā)信號(hào)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，使其斷開(kāi)主電路線(xiàn)路達(dá)到過(guò)流保護(hù)作用。

系統(tǒng)有四個(gè)模塊電路構(gòu)成：變壓模塊，整流濾波模塊，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，PFC校正和顯示模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.組成模塊方案

本設(shè)計(jì)中核心是采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，因此主要對(duì)PFC控制方案的選取進(jìn)行論證。

2.1 DC-DC變換方案

采用帶PFC的Boost型DC-DC升壓器。該電路有專(zhuān)用的控制芯片，容易實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，功耗低，輸出電壓范圍寬。輸出電壓波形中毛刺也比方案一要小。

2.2 功率因數(shù)校正控制方案

本設(shè)計(jì)中引用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)主要目的：一是通過(guò)調(diào)節(jié)UCC28019芯片中的電流誤差放大器的輸入來(lái)功率因數(shù)；二是通過(guò)監(jiān)測(cè)電路，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果運(yùn)用控制電路來(lái)調(diào)節(jié)PFC控制芯片UCC28019的電壓誤差放大器大小，從而穩(wěn)定輸出電壓。

采用BOOST+UCC28019實(shí)現(xiàn)。UCC28019是一種采用平均電流模式對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正的芯片，該芯片使輸入電流的跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1%，實(shí)現(xiàn)了接近于l的功率因數(shù)。該方案步驟少，外圍電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，只需調(diào)節(jié)放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)且方案已經(jīng)相當(dāng)成熟。

2.3 顯示器模塊

使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字?jǐn)?shù)字，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。采用1602液晶顯示器，可根據(jù)需要同時(shí)顯示功率因數(shù)與采樣電流、電壓。

3.理論分析與計(jì)算

3.1 提高效率方法

在電源設(shè)計(jì)中由于開(kāi)關(guān)損耗和器件導(dǎo)通損耗及其他損耗，使得電源電路的高效率要求一直很難達(dá)到。當(dāng)效率達(dá)到一定效果時(shí)，再提高其效率就比較難了。常用的移相零電壓開(kāi)關(guān)，同步整流的方法在提高效率上雖然有所提高，但付出了很大的代價(jià)。在效率方面，由于非穩(wěn)壓的高于穩(wěn)壓的、非隔離的高于隔離的、窄電壓范圍的高于寬電壓的，因此解決提高效率問(wèn)題上可以用方案：PFC+非穩(wěn)壓半橋變換器+肖特基整流二極管。

PFC可以起到穩(wěn)壓，與后級(jí)電路隔離的作用；非穩(wěn)壓半橋變換器通過(guò)變換導(dǎo)通兩個(gè)開(kāi)關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，使開(kāi)關(guān)管的損耗幾乎僅為導(dǎo)通損耗，從而大大降低損耗提高了效率。

3.2 功率因數(shù)調(diào)整方法

本系統(tǒng)的功率因數(shù)調(diào)整采用專(zhuān)門(mén)的PFC芯片，通過(guò)取樣電阻的負(fù)極性電壓信號(hào)經(jīng)反向器后與斜坡信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行比較，經(jīng)SR觸發(fā)器在與內(nèi)部65K振蕩器一起控制PWM的占空比，從而控制功率開(kāi)關(guān)器件通斷。ICOMP的電壓迫使電感電流跟隨輸入電壓波形，使輸入電流波形與電壓同相，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

圖2 功率因數(shù)測(cè)量電路

4.硬件電路

4.1 功率因數(shù)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，功率因數(shù)測(cè)量電路設(shè)計(jì)思路是計(jì)算電壓與電流的相位差，再根據(jù)功率因數(shù)公式求得，交流電經(jīng)電壓、電流互感器減弱，再經(jīng)過(guò)零比較整形與D觸發(fā)器合成方波送入單片機(jī)計(jì)算求出結(jié)果。

4.2 PFC及過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

圖3 過(guò)流保護(hù)電路

圖4 穩(wěn)壓電路

4.3 電源電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，運(yùn)放需±15V供電，單片機(jī)需、A/D、D/A需+5V供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、78H15、79H15構(gòu)成一穩(wěn)壓電源，題目要求輸出電流范圍是200mA～2000mA，而78H、79H系列穩(wěn)壓器輸出電流最大可以達(dá)到5A，能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。穩(wěn)壓電路如圖4所示：考慮系統(tǒng)對(duì)功率要求較高，所以在設(shè)計(jì)中選取了輸出功率50W的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產(chǎn)生。

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