单相AC_DC变换电路设计及试验_薛秀云.docx

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1、 单相 AC-DC 变换电路设计及试验 薛 秀 云 ， 宋 淑 然 ， 吕 永 青 ， 郑 逸 生 (华南农业大学工程学院，广东广州 510642) 摘 要 ： 该 单 相 AC-DC 变 换 电 路 以 有 源 功 率 因 数 控 制 器 UCC28019 为 核 心 ， STM32F103 做 主 控 芯 片 ， 采 用 主 控 芯 片 片 上 DAC 调 节 UCC28019 电 压 误 差 放 大 器 反 馈 端 ， 控 制 输 出 电 压 稳 定 输 出 ； 设 计 功 率 因 数 测 量 电 路 、 输 出 保 护 电 路 、 功 率 因 数 调 整 电 路 等 电 路 模 块 。

2、 经 测 试 ， 系 统 输 入 电 压 为 24 V 时 ， 输 出 2 A 电 流 时 可 稳 定 输 出 36 V 电 压 ， 负 载 调 整 率 为 0.02%， 电 压 调 整 率 为 0.028%， 功 率 因 数 测 量 最 大 误 差 为 0.02， 过 流 保 护 动 作 电 流 为 2.54 A， 交 流 输 入 侧 功 率 因 数 校 正 后 最 高 达 99.9%， 转 换 效 率 达 96.7%， 功 率 因 数 在 0.8 1.0 稳 定 可 调 。 关键词： AC-DC 变 换 ； 功 率 因 数 校 正 ； UCC28019;拓 扑 结 构 中图分类号： TN7

3、10-34 文献标识码 ： A 文章编号： 1004-373X(2014)24-0138-04 Design and test of single-phase AC-DC conversion circuit XUE Xiu-yun, SONG Shu-ran, LU Yong-qing, ZHENG Yi-sheng (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract： With controller chip STM32F103, active Pow

4、er Factor Controller UCC28019 as a core of the system, the voltage error amplifier feedback of the UCC28019 is adjusted by means of on-chip DAC in STM32F103 to achieve a stable output voltage. The power factor measurement circuit, output protection circuit, power factor adjustment circuit were desig

5、ned. Test results show that when input voltage is 24 V and output current is 2 A, the system can output 36 V voltage stably, its load regulation rate is 0.02% , voltage regulation rate is 0.028% , the maximum error of power factor measurement is 0.02, overcurrent protection operating current is 2.54

6、 A, conversion efficiency is 96.7%, power factor is adjustable from 0.8 to 1.0 stable. Keywords: AC-DC conversion; power factor correction; UCC28019; topology 0 引 言 程控 恒 流电源在仪 器 仪表中有 着 广泛的应用 ， 如 ， 测 试领域 中 组成自动测 量 仪器，给各 类 传感器恒流 供 电 以 对 过程 变 量进行检 测 等 13，是 模 拟系统中 广 泛使用 的 一种 单 元电路 或 测试平台， 在 实际工程中 也 有广泛的

7、 用 途，是 电 导测量 、 开关电源、功放 等 场合不可替代 的 检 测 设备 4。 随着电 子 技术的发展 ， 恒流源已经 广 泛地应 用 在各个 领 域 中 。 件时钟 频 率的精度要 求 不高，且能 得 到较高的测 量 精 度 ， 因 而 在 数 字 电 压表 以 及 多 种 电 子仪 器 中 得 到 了 广 泛 应 用 57。 本 文将介 绍 一种 利 用单片 机 MD 算 法 实现 闭 环 控 制 的 程控 电 源电路 ， 可产 生 1 20 A 的恒 流 输出 ， 和 05 V 的 恒 压 输出， 同 时可 通 过串口 输 人或 按 键输 人 设 定 恒流 /恒 压模式 的 切换

8、和设定 相 应的值，电 路 中 采 取了双 斜 积分 进 行实时 测 量 。 1 理 论 分 析 与 计 算 1 . 1 功率因数 测量 电源技术的发展进一步推动了测量技术的发展，仪 器 仪表的性能要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、 样 品量更少、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低 廉、 无污染等，同时也为仪器仪表科技与产业的发展提 供了强 大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物 质、知识和 技术基础。由于双积分式积分器对积分及元 收稿日期： 2014-06-10 基金项目：广东省科技计 划项目（ 2011B020313019) 在交流电路中，电压与电流之间的相位差（ 0)的余 弦 值

9、叫做功率因数，通过检测输人侧的交流电压的零相 位时 间点 f, 和 交 流 电 流 的 零 相 位 时 间 点 ， 由 公 式 c sw(l-q，即可得出功率因数，并通过单片机用 LCD 屏显示。 使用交流电流互感器及交流电压互感器可准 确地隔离获取 交流电压及电流信号，将电压、电流信号 调整后经过零比 较器即可得到具有相位差的电压、电流 方波信号，使用 STM32F103 信号捕获功能可准确捕获 第 2 4 期 薛秀云，等：单相 AC-DC 变换电路设计及试验 139 并计算出电压信号与电流信号之间的相位差，即可准确 测 量输入交流侧功率因数。 1 . 2 提 高 效 率 的 方 法 (1)

10、 为 提 高 电 路 电 能 转 换 效 率 ，本 系 统 使 用 LT4320 与 4 个 N 沟道场效应管 IRF3205 组成交流同步 整流 桥， IRF3205 导通电阻仅为 0.008 ft,电流 2 A 时 单管导通 功耗仅为 0.032 W,相对于二极管整流桥整流， 使用 N 沟 道场效应管同步整流效率提高了 76%以上。 (2) Bmst 拓 扑 电 路 开 关 管 选 用 低 导 通 电 阻 的 NMOS 管 IRF3205， IRF3205 的导通电阻足 j,仅为 0.008 fl， 设输人侧平均电流 /DS_RMS = 3.4 A，因此其导通功耗为 户咖 =( 獨 ).3

11、-( = 3 . 4 . 8 = . 925 , 由于 TJCC28019： T 作频率固定为 65 kHz,因此 JRF3205 开关 损 耗功耗 Psw = 0.059 7 W。 1.3 UCC28019 功率因数校正电路参数选择 本系统使用 UCC28019 专用功率因数校 IE 芯片组 成 BOOST 拓扑结构功率因数校茈电路。该芯片开关频 率固定 为 65 kHz，具有峰值电流限制、软过流保护、开 环检测、 输入掉电保护、输入过压 /欠压保护等功能，使 用 TLC2272 组成电压跟随器对 UCC28019 反馈端进行 控制，对输出电 压进行微调，电路最终稳定输出 36 V， 最大输

12、出电流峰值 为 3 A。 1 . 4 稳 压 控 制 方 法 将输出端利用减法电路进行采样，由 STM32F103 内 部 ADC 实时读取当前输出电压值，通过软件 PID 算法 运算 后由 DAC 输出调整电压输人到 UCC28019 的电压 误差放大 器输入端，调节 SPWM 波的输出占空比实时调 节输出电压， 使其稳定输出 t/=36 V0.1 V， /=2 A。 2 电 路 与 程 序 设 计 2.1 主回路与器件选择 本 系 统 使 用 LT4 3 2 0 与 4 个 N 沟 道 场 效 应 管 IRF3205 组成交流同步整流桥，使用 UCC28019 专用功 率 因数校正芯片组成

13、 BOOST 拓扑结构功率因数校正电 路， 同时实现 AC-DC 变换电路和功率因数校正电路，系 统总体 方案如图 1 所示。 2 . 2 控 制 电 路 与 控 制 程 序 2 . 2 . 1 控 制 电 路 图 2 为控制电路框图，开关电源控制电路如图 2 所 示， 流电路，提高电路工作效率。 图 1 系 统 总 体 方 案 图 图 2 控 制 电 路 框 图 2 . 2 . 2 控 制 程 序 图 3 为软件控制流程图， STM32F103 利用外部搭建 的 基准电压作为参考电压，基准电压为 2.046 9 V,通过 内部 ADC 检测电流检测模块、电压检测模块的实时输 出电压， 通过换

14、算，在 LCD 屏上显示当前输出电流及电 压值 ;通过 检测输人电压的零相位时间 和输人电流零 相位时间 k 得出 当前相位差的，加上相位补偿值。，得 出 功 率 因 数 为 COS&, +%； );功率因数通过外部矩阵键 盘键人预设定值， STM32F103 通过读取该值，利用内部 DAC 输出相应的控制 电压，再通过 PID 算法使输出功率 因数保持稳定 ;过流保护 由外部硬件电路触发单片机的 中断，单片机通过控制继电 器将 AC-DC 电路的输入全 面切断，实现过流保护。 2.2.3 调 压 电 路 调压电路采用减法电路为主架构，精准选配的电阻 网 络，使电路输出电压仅有 3 5 mV

15、的误差，把输出端接 人 APFC 控制器 _UC28019 电压误差放大器的反馈端，便 在输 人 0 3 V 的范围内系统的输出电压可精确控制为 汰 =360.1 乂。调压的分辨率为： 开关控制器为 UCC28019， LT4320 为同步整流控制 器。使 用 UCC28019 专用功率因数控制器组成 Boost 拓 扑结构 AC-DC 稳压电路， STM32F103 通过 DAC 调节由 TLC2272 组成的减法电路来调整输出电压，使电路稳定 输出 36 V; 使用 LT4320 与 N 沟道场效应管组成同步整 3.3 x (36.1 - 35.99)/(3 x 212) = 0.000

16、053 V 2 . 2 . 4 过 流 保 护 电 路 过流保护电路采用宽共模电压的电压输出电流并 联 监控器 INA283，使输出电流流过采样电阻 RSHUT，当 输 出电流为 2.5 A 时，采样电阻两端的电压经 INA283 放 大 后输出 2.5 V 的电压，通过调整比较器负端的电压，使 nl 140 现代电子技术 2 0 1 4 年 第 3 7 卷 比较器输出高电平触发单片机中断，单片机控制继电器 将 AC-DC 变换电路输人断开，从而实现过流保护功能。 表 2 输 出 电 压 误 差 测 试 输入电压 /V 24.000 输出电压 /V 36.008 2.3 外部基准电压 图 3

17、软 件 流 程 图 输入电流 /A 3.115 3 输出电流 /A 2.000 0 输入功率 /W 74.767 输出功率 /W 72.300 实验结果表明，在输入交流电压，输出直流电流 /。 = 2 A， /=36.008 V 的条件下，模块 AC-DC 直流输出电压 为 /。 =36.008 V，符合基本要求的队 =36 V0.1 V 的要求 并 且优于该指标。 3 . 3 负 载 调 整 率 测 试 用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调节自 耦 变压 器 使得输 入 交流电 压 t/s=24 V， 通过 调 整负载 ， 使 得 /。 在 0.2-2.0A 范围内变化，使用四位半万用表

18、测量此 时的 输出电压，实验数据见表 3。 实验 结 果表明 ， 在输出 直 流电流 /=0.20 A 时的 输 出 电压 =36.016 V，在 输 出直流 电 流 /=2.0 A 时的 输 出 电 压 /。 2=36.008 V， 通 过 代 入 负 载 调 整 率 公 式 5; = x 100% ,得出负载调整率 =0.02%,符合 本系统使用 LM4040 和 3 V 纽扣电池组成零电压波 动 外部独立基准电源，输出电压为 2.048 V，误差仅为 0.1%， 使用独立电池供电可提高基准电压的稳定性及 精准度，实 际测量模块输出电压为 2.046 9 V,相对误差 为 0.054%。

19、使用 STM32F103 片上 ADC 对基准电压进行 采样，并对片 上 ADC 及 DAC 基准电压进行修正。 3 测 试 方 案 与 测 试 结 果 3.1 测试条件 测试地点为实验室，室内温度为 25 丈，测试仪器 如 表 1 所亦。 表 1 测 试 仪 器 测试仪器名称 测试仪器型号 备注 并优于基本要求的 , 0.5%负载调整率。 表 3 负 载 调 整 率 测 试 开关电源真有效值 工业用 记录万用表 3.2 输 出 电 压 测 试 鸿海科技 JMD20-D12 福祿克 289 采购精度五位 3.4 电压调整率测试 用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整负 载，使得输出电流 /

20、=2.0 A，通过调整自耦变压器的输出 电 压队在 20 30 V 范围内变化，使用四位半万用表测暈 此 时的输出电压 ,实验数据见表 4。 实验结果表明，在输入交流电压为 f/s=20.0 V，时的 输 出电压为札 =39.96 V,在输入交流电压 f/s=30.0 V 时 的输 用数 字 式电参数测 试 仪测量输 入 端的参数 ， 调整 自 耦 变压器 的 输出电压，使 得 4=24 V，用四 位 半万用 表 测 量 输出 电 流，通 过 调整负 载 ，使得 输 出电 流 A = 2 A， 用 四 位半万 用 表测量此时 的 输出电压， 实 验数据见 表 21:1 出电 压 为 队 2=3

21、5.97 V， 通过 代 人电压 调 整率公 式 & = |(2 _ )/36| x 1 0 0 % ， 得 出 电 压 调 整 率 为 & = 0.028%, 符合基 本 要求的电压 调 整 率 SP 0.5%，并 且 优于该 指 标 。 输 出 电流 /A 输 出 电压 /V 输 出 电流 /A 输 出 电压 八 0.200 5 36.016 1.200 2 36.012 0.300 0 36.016 1.300 8 36.011 0.400 7 36.015 1.400 8 36.010 0.500 0 36.014 1.500 0 36.010 0.600 5 36.015 1.600

22、 1 36.009 0.700 1 36.013 1.700 0 36.010 0.800 0 36.012 1.800 2 36.010 0.900 4 36.013 1.900 8 36.009 1.000 9 36.012 2.000 0 36.008 1.100 0 36.013 万用 表 数字式 电 参数测试 仪 胜利万 用 表 VC86E 逐 瑞 ERM6600-T 精度四 位 半 自耦变 压 器 TDGC 500 VA 隔离变 压 器 300 VA 第 2 4 期 薛秀云，等：单相 AC-DC 变换电路设计及试验 141 3 . 5 功 率 因 数 测 量 测 试 用数字式电参数

23、测试仪测量输入端的参数，调整自 耦 变压器使得输人交流电压 t/s=24 V，调整负载，使得 输出 直流电流 /。 =2.0 A，使用 LCD 屏显示当前单片机计 算得 出的功率因数 ,实验数据如表 5。 表 4 电 压 调 整 率 测 试 为 96.7% ,优于发挥部分电路效率不低于 95%的要求。 3 . 9 自 动 调 整 功 率 因 数 测 试 在 f/s=24 V,/=2 A， R=36 V 条 件 下， 用 数字式 电 参 数 测试仪测量输人端的参数，通过按键设置功率因数， 实验 数据如表 7 所示。 表 7 自 动 调 整 功 率 因 数 测 试 设 定 值 实 际 值 误 差

24、0.80 0.801 0.01 0.90 0.900 0.00 1.00 0.999 0.01 实验数据表明，功率因数自动调整功能正常，误差 最 大为 0.01，符合发挥部分要求并优于该指标。 表 5 功 率 因 数 测 量 测 试 实 际 值 /PF 测 量 值 /PF 误 差 0.997 0.995 0.002 实验结果表明，本功率因数测量电路能测量并显示 出 功率因数，误差为 0.002,符合基本要求不大于 0.03, 并优 于该指标。 3 . 6 过 流 保 护 功 能 测 试 用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载使得 输 出 电 流 从 0 . 2 A 缓慢上升至保护动作电流，记

25、录当 前 的电流，通过测试，测得过流保护电流为 2.54 A,符合 基 本要求动作电流为 2.5 A0.2 A,并优于该指标。 3.7 功 率 因 数 校 正 测 试 用数字式电参数测试仪测量输人端的参数，调整自 耦 变 压 器的 输 出电 压 t/s=24 V， 使 得， 用 四位半 万 用 表 测 量 输出电流，通过调整负载，使得输出电流 /=2 A，读 取当 前功率因数值，通过测试，测得功率因数为 0.997, 符合发 挥部分要求不低于 0.98,并优于该指标。 3.8 AC-DC 效 率 测 试 用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自 耦 变压器的输出电压，使得 ft=24 V,

26、用四位半万用表 测量输 出电流和输出电压，通过调整负载，使得人 =2 A, 队 =36 V 输出端为，实验数据如表 6 所示。 表 6 AC-DC 效率 输 入 电 压 AV 24.000 输 出 电 压 AV 36.008 输 入 电 流 /A 3.115 3 输 出 电 流 /A 2.000 0 输 入 功 率 /W 74.767 输 出 功 率 /W 72.300 实验结果表明，在 4=24 V， /=2 A， /=36 V 条件 下， 由 7/y/xlOO%，得出 AC-DC 变 换 电 路 的 效 率 4 结 语 (1) 在输人交流电压 K=24 V、输出直流电流 /=2 A 条 件

27、下，输出直流电压队 =36.008 V; (2) 当 f/s=24 丫， /在 0.22.0 A 范 围 内变化 时 ， 负 载 调整率 为 0.02%; (3) 当 /=2 A， /s 在 2 0 3 0 V 范围内变化时，电 压 调整率为 0.028%; (4) 设计并制作功率因数测量电路，实现 AC-DC 变 换 电路输人侧功率因数的测量，测量误差绝对值最大为 0.02； (5) 具有输出过流保护功能，动作电流为 2.54 A; (6) 实现功率因 数 校正， 在 f/s=24 V， /=2 入 ,/。 =36 V 条件下， AC-DC 变换电 路 交流输人侧 功 率因数 为 0.999

28、; (7) 在 /s=24 V， /=2 A， t/,=36 V 条 件 下， AC-DC 变 换电路效率为 96.7%; (8) 能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调 整 范围为 0.8 1.0,稳态误差绝对值为 0.02。 参 考 文 献 1 雷卫军 ,李言俊 .星上 DC/DC 变换器国内外研究现状 J.宇航学 报 .2007,28(6):1452-1455. 2 PRESSMAN A I, BILLINGS K, MOREY T. Switching power supply design M. 3rd ed.北京：电子工业出版社， 2011. 3 郭新民，金虎，栾静 .高频开关电

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30、23.001 35.961 29.005 35.972 24.001 35.963 30.000 35.972 25.007 35.963 第 2 4 期 郭颖， 等： 不同旋涂速率对聚合物太阳电池性能的影响 145 换效率最局，达到了 1.54%。 3 结 语 本文通过控制活性层的旋涂速率改变活性层厚度， 并 考察了不同厚度活性层样品的吸收光谱、粗糙度及表 面形 貌，最后制备成电池考察电池的性能参数。实验发 现，随 着旋涂速率的减小，活性层厚度的增加，样品在 400-600 mn 处 的 光 吸 收 逐 渐 增 强 ； 旋 涂 速 率 为 1 000 r/min 及 1 200 r/min

31、时样品的表面形貌较好，形 成了较好的相位分 离，有利于激子的解离与传输；旋涂 速 率 为 1 OOOr/min 时 ， 由 于 经 过 热 处 理 后 ， P3HT 的 HOMO 能级会随之 变化，制备成的电池开路电压有大幅 提升，同时受表面形 貌的影响，器件的短路电流也有大 幅提升，然而随着厚度 的增加，串联电阻增大，填充因子 有小幅度的下降，导致 最终的光电转换效率最高，其值 为 1.54%。 参 考 文 献 1 张亚萍 .聚合物有机太阳电池的研究 D.天津：南开大学， 2009. 2 ANGELOPOULOS M. Conducting polymers in microelectron

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