【设计大赛】基于高功率因数程控开关电源的设计

2.系统实现
2.1.系统框图如图2所示
 

2.2主回路器件的选择及参数计算
2.1.1开关管的选择
在本设计中，最大输出电压为40V，开关管最大实际漏源电流为5.75A，但是考虑到到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐量分别取2.5和2倍裕量故开关管的最大耐压应大于90v,最大导通电流应大于12A。基于上述要求，本设计采用Vds=200V,Id=30A,Rds=85mΩ的MOSEFT管IRF250.这完全满足设计要求。
2.1.2续流二极管的选择
由于本电路采用BOOST拓扑结构，因此续流二极管的选择非常重要。在电路中受输出大电容的影响，续流二极管应满足最大整流电流大于12A，最大反向电压大于72V，受储能电感及开关管的影响，续流二极管的反向恢复时间要尽量小。鉴于此要求，本设计采用MOSEFT中的反向快恢复二极管作为续流二极管，它的反向恢复时间完全达到设计要求，实际使用效果不错。

2.1.3电感的参数计算：
    本电路采用BOOST 拓扑结构， BOOST 电路工作在电流连续工作模式（CCM）。根据BOOST电路输出电压表达式，可得PWM 最大占空比Dmax发生在输入直流电压最低（18V）而输出直流电压最高（40V）的时候，最小占空比Dmin发生在输入直流电压最高（26V）而输出直流电压最低（26V）的时候，则根据电流临界连续条件求得电感值为 实际储能电感采用108uH.其中， 为芯片的振荡频率, 为纹波电流, 为最大输出电压。

2.1.4输入滤波电容的参数计算：

    根据BOOST电路的工作特点，输入电容的作用为滤除由储能电感、整流电路产生的高次谐波，则有 实际采用2.2uF.其中， 为UCC28019的振荡频率， 输入纹波电压， 为输入峰值电流。

2.1.5输出电容的参数计算：
    考虑到负载电流可能达到3A，滤波电容计算如下： 实际采用4700uF。 最大输出功率， 为最大输出电压， 为最低输出电压, 为交流电的周期。

2.1.6电流取样电阻的参数计算：
    根据输入直流检测信号送到PFC芯片的 脚，则取样电阻计算公式 实际采用康铜丝做采样电阻，阻值为0.055Ω.其中，为电感的峰值电流,  为 脚的最低正常工作电压。

2.1.7 UCC28019其它外围器件参数的计算：
    实际采用1000pF,其它器件选用如下： 

其主电路电路图如图4示

2.3检测与保护电路的设计与参数计算
2.3.1输入电压、电流检测电路设计：
    对输入电流、电压进行采样，是为了计算两个信号之间的相差，进而求得功率因素，对检测到两个信号的波形要求很高，故我们在输入检测电路中通过高精度的电流互感器TR2123C 和电压互感器TUS1980-02 分别对输入电流、电压信号进行比较，输出信号送到比较器进行比较得到具有相位差的两个方波送入单片机进行处理最终得到功率因数的测量值和信号频率。与霍尔传感器和光耦检测相比，该方案电路制作简单，要求成本较低。有关电路图详见附录。

2.3.2输出电压、电流检测电路设计：
    输出测量电路要求能够在一定精度范围内检测到输出电压、电流值。为了满足题目中所给的精度要求，用精密电流霍尔传感器对输出电流进行采样和输出电压则直接用电阻分压网络进行采样取得。有关电路图详见附录。

2.3.3输出过流保护电路的设计：
    本系统要求有过流保护功能，输出电流为2.5A时电路自动保护。鉴于此要求采用UCC28019芯片内部的封锁功能，由单片机检测过流并控制芯片引脚ICOMP的电平，但考虑到这样的封锁对象仅仅限于UCC28019本身，电路的输出电压依然为整流后的25V左右的电压，依然可能存在大电流，对整个系统有很大的潜在威胁。因而，本系统在主电路中加入继电保护，当单片机检测输出过流时，将发出指令电平通过继电器来切断主回路，达到保护负载的功能。经实际测试，当单片机再次检测输出电流正常时，释放电平，电路可重新恢复。

2.3.4辅助电源的设计
    辅助电源对整个系统的工作十分重要，本系统采用三端稳压芯片（LM78XX）设计。电路设计简单，三端稳压构成的线性电源纹波小，输出电压稳定，抗干扰能力强。辅助电源输出±15V, +12V,+5V。有关电路图详见附录。

2.4数字设定及显示电路设计
    本系统采用LCD128X64带字库的液晶显示器，支持串行和并行模式，我们采用串行接口与MCU相连。为了使键盘简化，我们采用五键（步进1V加，步进1V减，步进0.1V加，步进0.1V减，确定），我们程序初始化默认输出电压为30V。有关电路图详见附录。

4.设计实例及实验结果
    在分析了UCC28019工作原理及主要参数设计的基础上，设计了一种高功率因数电源，该电源输入为交流220V，输出为直流360V，功率为500W。
交流电源输入端的电压和电流波形如图5所示：
 

    基于UCC28019设计的高功率因数电源具有功率因数高、谐波含量低的优点。同时，该芯片具有应用简单，保护功能强大，驱动能力强，调试简单等优点，是一种非常优秀的功率因数校正芯片。
5.测试结果
5.1电压调整率测试
    采用100Ω/3A可调滑线变阻器作负载，待系统进入额定状态（输出电流为1.2A）时，改变输入电压，用UT88B数字万用表监测输出负载电压。记录数据如下表1所示。

 

 

3.输入电流电压检测电路
 

 

 

 

7.DA电路图

部分代码：
ADC12.h
#include
#include "adc12.h"

unsigned char Wait=0;    //等待转换结束的标志位  0：没有结束；1：结束
unsigned int AdMem[16];   //转换结果缓冲区
#define AD_CI 10
unsigned char AdCi=AD_CI;       //单通道或者序列多次转换的转换次数
#define DUO_CI  0  //0：单通道或者序列单次转换  1：单通道或者序列多次转换
/****************************************************************************
初始化
****************************************************************************/
void Adc12Init()
{
 ADC12CTL0 &= ~ENC; //使AD模块处于初始状态
 ADC12CTL0 = MSC+REFON+REF2_5V+SHT0_15+SHT1_15; //使用内部2.5V参考电压，使用采样保持器。
}

/****************************************************************************
打开或关闭ADC12模块
doit： 0：打开    100：关闭
****************************************************************************/
void Adc12Open(unsigned char doit)
{
 if(doit==0)
 {
  ADC12CTL0 |= ADC12ON;
  ADC12CTL0 |= ENC;  //允许转换
 }
 else if(doit==100)
 {
  ADC12CTL0 &= ~ADC12ON;  //不允许转换
  ADC12CTL0 &= ~ENC;
 }
}

/****************************************************************************
设置转换模式
adr：转换的首地址。取值范围为0~15
mod：转换模式。 0：单通道单次  1：序列通道单次  2：单通道多次 3：序列通道多次
****************************************************************************/
void AdcDo(unsigned int adr,unsigned char mod)
{
 ADC12CTL1 = (adr<<12)+SHP+(mod<<1);   //SHP意思为由采样定时器控制采样
}

/****************************************************************************
设置通道
tongdao：选择的模拟输入通道，取值范围为0~15
eos： 0表示序列没有结束，0x80表示在序列转换时，表示本次转换结束后，本转换序列结束。
mem：转换存储器控制寄存器，取值： 0~15
verf：参考电压，取值范围为0~7
inter： 0：本通道转换完后不引发中断    1：本通道转换完后引发中断
****************************************************************************/
void SetTongDao(unsigned char tongdao,unsigned char eos,unsigned char mem,unsigned char verf,unsigned char inter)
{
 char *pmem_ctl= ADC12MCTL;
 pmem_ctl += mem;
 *pmem_ctl = tongdao+ eos + (verf<<4);
 if(inter==0)
  ADC12IE &= ~(0x1<  else
  ADC12IE |= (0x1< }

/****************************************************************************
软件引发转换开始
****************************************************************************/
void Adc12Go()
{
 unsigned char q0;

 for(q0=0;q0<16;q0++)
  AdMem[q0]=0;
 Wait=0;
 ADC12CTL0 |= ENC+ADC12SC; //转换开始
 while(Wait==0)             //等待转换结束
 ;
}

/*****************************************************************************
AD转换器中断函数
******************************************************************************/

#pragma vector=ADC_VECTOR
__interrupt void Adc()
{
#if DUO_CI==0      //单通道或者序列单次转换
   unsigned char q0;
 int *pmem=ADC12MEM;

 Wait=1;    //转换结束的标志位置位
 for(q0=0;q0<16;q0++)
 {
  AdMem[q0]= *pmem;
  pmem++;
 }
#elif DUO_CI==1    //单通道或者序列多次转换
 unsigned char q0;
 unsigned int iq0;
 int *pmem=ADC12MEM;

 if(Wait==0)
 {
  for(q0=0;q0<16;q0++)
  {
   AdMem[q0] += *pmem;
   pmem++;
  }

  AdCi--;
  if(AdCi==0)
  {
     Adc12Open(100);  //关闭ADC12模块
   Wait=1;  //转换结束的标志位置位
   for(q0=0;q0<16;q0++)
   {
    AdMem[q0] = AdMem[q0]/AD_CI;
   }
   AdCi=AD_CI;
  }
 }
 else
 {
  for(q0=0;q0<16;q0++)
  {
   iq0 += *pmem;
   pmem++;
  }
 }
#endif

}

/****************************************************************************
从ADC12MEM中读出转换结果，本函数读出了ADC12MEM所有的16个寄存器，可根据需要进行
修改，不读出所有的寄存器。
padc：读出的结果保存在数组中，padc为指向此数组的指针
****************************************************************************/
void AdcGet(unsigned int *padc)
{
 unsigned char q0;
 for(q0=0;q0<16;q0++)
 {
  *padc= AdMem[q0];
  padc++;
 }
}
LCD.C
#include
#define comm  0
#define dat   1
#define cs_hi P2OUT  |= BIT2
#define cs_lo P2OUT  &= ~BIT2
#define sclk_hi P2OUT  |= BIT6
#define sclk_lo P2OUT  &= ~BIT6
#define sid_hi P2OUT  |= BIT4
#define sid_lo P2OUT  &= ~BIT4
void init_lcd ();                                                   //初始化LCD
void clrram (void);                                                 //清DDRAM
void wr_lcd (unsigned char  dat_comm,unsigned char  content);       //写LCD
void delay (int us);
void delay1 (int ms);
/*------------------初始化-----------------*/
void init_lcd (void)
{
  P2DIR = 0xff;
  wr_lcd (comm,0x30); 
  delay (10);
  wr_lcd (comm,0x06); 
  delay (10);
  wr_lcd (comm,0x01); 
  delay1 (10);
  wr_lcd (comm,0x0E);
  delay (10);
  wr_lcd (comm,0x0C);
 
}

/*--------------清DDRAM------------------*/
void clrram (void)
{
  wr_lcd (comm,0x30);
  delay (20);
  wr_lcd (comm,0x01);
  delay (20);
}

void wr_lcd (unsigned char  dat_comm,unsigned char  content)
{
  unsigned char  a,i;
  a=content;
  cs_hi;   //cs变高
  sclk_hi;  //sclk变高
  sid_hi;   //sid变高
  for(i=0;i<5;i++)
  {
    sclk_lo;
    sclk_hi;  //sclk变高
  }
  sid_lo;  //sid变低
  sclk_lo;  //sclk变低
  sclk_hi;  //sclk变高
  if(dat_comm)
    sid_hi;   //data
  else
    sid_lo;   //command
  sclk_lo;    //sclk变低
  sclk_hi;    //sclk变高
  sid_lo;    //sid变低
  sclk_lo;     //sclk变低
  sclk_hi;     //sclk变高
  for (i=8; i>4; i--)
    {
      unsigned char mask =  1 << (i-1);  
      if (a & mask)
        sid_hi;
      else                                            
        sid_lo;
        sclk_lo;     
        sclk_hi;
    }
    sid_lo;
    for(i=0;i<4;i++)
    {
      sclk_lo;
      sclk_hi;     
    }
    for (i=4; i>0; i--)
    {
      unsigned char mask =  1 << (i-1);  
      if (a & mask)
        sid_hi;
      else                                            
        sid_lo;
        sclk_lo;     
        sclk_hi;
    }
    sid_lo;
    for(i=0;i<4;i++)
    {
      sclk_lo;
      sclk_hi;     
    }
    cs_lo;   //cs变低
}

/*-----------------------------------------------------------------*/
void delay (int us)   //delay 10 us
{
  int j;
   for(j=0;j }
void delay1 (int ms)  //delay 1 ms
{
  int i,j;
    for(i=0;i     for(j=0;j<200;j++);
}

void chn_disp (unsigned char  *chn)
{
  unsigned char i,j;
  wr_lcd (comm,0x80);
  for (j=0;j<4;j++)
  {
    for (i=0;i<16;i++)
    wr_lcd (dat,chn[j*16+i]); 
  }
}

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功能；
 
1.输入功率因数大于0.99，并且实时测量和显示功率因数；
 
2.键盘输入一个电压值，系统输出和键盘输入一样的电压值，并实时采样电压、电流值并显示；
 
3.键盘可以上下步进1V和0.1V,设定值，输出值，显示值三者误差很小，精度很高。
 

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