吳振宇　吳冀平　楊啟涯　辛全彬

摘要：基于有源功率因數校準技術，設計了一款高功率因數開關電源實驗平臺，平臺具有自動功率因數校正，結構簡單，保護措施完善等優(yōu)勢。平臺整體系統(tǒng)設計以德州儀器公司的APFC芯片UCC28019為核心器件，采用電流內環(huán)加電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制，保證了系統(tǒng)功率因數不低于0.95，采用電流電壓互感器采集信號相位，測量并實現功率因數實時顯示，同時也可對異常輸出進行繼電保護。電源系統(tǒng)采用BoosT升壓電路，在輸出36V/2A額定條件下效率不低于95%，采用良好的閉環(huán)反饋電路補償機制，電壓調整率和負載調整率均不高于0.5%。控制核心采用FreescaIe的MC9S12義S128單片機，完成功率因數測量、電壓/電流的動態(tài)測量、參數顯示、過流保護等功能。測試表明，整體系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定，各項技術指標均達到設計需求。

關鍵詞：功率因數校正；UCC28019；BOOsT；MC9S12XS128

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.014

1 系統(tǒng)方案

本實驗平臺主要由BOOST升壓電源模塊、功率因數采集模塊、單片機運算模塊、功率因數校準及設定模塊、電源模塊組成，系統(tǒng)設計框圖如圖1，下面分別討論各模塊電路選用的基礎。

1.1 電源模塊

采用BOOST拓撲結構的開關電源。該拓撲具有電路簡單、電源側電流波動小等優(yōu)點，同時也可讓學生充分體驗開關升壓電路的技術特點和重要設計參數，了解電感手工制作過程。相比于推挽拓撲，本設計結構簡單，且更適用于小功率型電源。

1.2 功率因數采集模塊

本方案采用電流互感器、電壓互感器采集電流電壓相位信息，經過放大等處理后由單片機算得相位差，進而求解功率因數，與集成計量芯片ATT7053芯片方案相比較，本方案具有良好的電氣隔離性能、成本低，且對原電路影響小等優(yōu)點。

1.3 功率因數校準及設定模塊

UCC28019是德州儀器公司生產的專用功率因數校正芯片，芯片接口簡潔，且具有自動功率因數校正的功能，可完美與BOOST電路配合使用，完全解決了用軟件設定開關管關斷延遲而導致的不確定因素，提升了電路穩(wěn)定性。

2 電路與程序設計

2.1 功率因數校正模塊設計

功率因數校正部分基于UCC28019設計，主要分為輸入繼電保護部分、BOOST電路功率變換部分、UCC28019周邊電路、IRF540功率MOS開關管及驅動電路、輸出反饋電路。其中，繼保部分利用單片機檢測到的輸出電流電壓值控制繼電器開斷，對系統(tǒng)異常做出處理，設定為輸出電流大于2.5A保護；BOOST電路部分設計為輸出額定電壓36V，并且采用了二極管阻容電路對尖峰電壓進行抑制：UCC28019周邊電路參考德州儀器給出的設計手冊，結合實際需要進行修改；由于系統(tǒng)功率不超過100W，電流也較小，故采用MOS管進行開斷，節(jié)約了開關驅動部分成本，IRF540也具有導通阻抗小的優(yōu)勢，有利于提升系統(tǒng)的效率；反饋電路采用電阻分壓的方案，使用抗溫飄性能好的精密電阻，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，且設置電位器改變輸出電壓值以勝任不同需求。電路原理設計如圖2。

2.2 功率因數測量模塊及程序設計

系統(tǒng)設計了功率因數測量單元，用于實時測定功率因數，同時判定是否需要發(fā)出繼電保護信號，功率因數測量模塊設計框圖如圖3。

功率因數采集單元安裝互感器測量電流電壓信號，用OP07及LM358構成放大跟隨電路，互感器得出的信號可以放大到單片機內部AD可以直接采集的大小，而后直接交由單片機處理。小信號處理部分原理圖設計如圖4所示。

本系統(tǒng)采用Freescale的MC9S12XS128單片機，完成功率因數測量，并實現電壓、電流等動態(tài)參數顯示，同時通過測得電流值快速實現過流保護等功能。采集及繼電保護軟件流程如圖5。

3 測試方案與測試結果

3.1 測試方案

首先上電調試反饋電路使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，而后依次測試電路電壓調整率、負載調整率、效率等參數。測試前保證設定輸出電壓為36V，輸出電流為2A額定狀態(tài)，測量輸入電壓在20-30V間變化時的輸出電壓得出電壓調整率并計算效率，同時記錄系統(tǒng)功率因數。而后，調整輸出負載，使輸出電壓在0.2-2.5A間變化，測量輸出電壓變化，得出負載調整率，同時驗證系統(tǒng)在電流超過2.5A時是否可以自行保護。

3.2 測試結果及分析

測試數據如表1、表2所示。由數據得出系統(tǒng)電壓調整率不高于0.5%，負載調整率不高于0.5%，效率等參數不低于95%，功率因數不低于0.95?？蓪崿F過流保護，保護電流為2.5A。

3.3 測試結果及分析

綜上所述，本設計用BOOST升壓電路實現了功率因素測量與校正，滿足教學中關于功率因數校正問題實際驗證的需求，體現功率因數校正的意義與方法。同時模塊還可應用于BOOST電路的示教和設計教學，具有一定的實用價值。