基于MSP430的高功率因数程控开关电源设计

宋 磊

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路，本设计正是基于这类集成器件设计出的一款全新电路系统。随着电源绿色化概念的提出，功率因数校正得到了广泛应用，所谓功率因数校正，就是指从电路结构上入手，使交流电源输入电流实现正弦化，并与输入电压保持同相。传统的AC/DC变换采用二极管全桥整流，输出端直接接大容量电容滤波器，造成交流电源输入电流中含有大量谐波。谐波电流对电网有严重的危害，不仅会使电网电压发生畸变，也会浪费大量的电能。

1 方案设计

1.1 总体方案设计

系统由AC－DC变换电路、DC－DC变换电路、功率因数检测电路、PFC控制电路、数字设定及测量显示电路、保护电路等六大部分组成，其系统电路总体框架如图1所示。系统主电路采用BOOST电路，校正控制部分采用PFC芯片UCC28019，低压工频电信号先经过一个EMI网络，再进行全桥整流，通过有源功率因数校正器，使得功率因数得校正，输出电压得到稳定。单片机采样系统输入电流、电压，实现功率因数的检测;通过霍尔元件和电阻采样网络分别采集输出电流信号和电压信号送到单片机，实现输出电流、电压的检测。在系统调试过程中发现此方案完全可靠，并且稳定精确，完全可以实现电压的稳定可调输出。单片机在检测到输出电流超过2.5 A时，发出指令电平对UCC28019进封锁并通过继电器断开主电路，当电路重新启动后检测到输出电流正常时，电路恢复完成过流保护。液晶用来显示被检测量的值和一些关键参数，辅助系统调试。

图1 系统原理图

1.2 控制方案分析及实现方案

主电路的输出直流电压信号Vo和基准电压Vr比较后，送入电压误差放大器VEA，得到VCOMP引脚电压。该电压决定了GMI网络的增益和PWM比较器的参考三角波的斜率。输入电流经采样电阻转化为电压信号，电压信号经放大器放大送入GMI网络以实现输入平均电流的采样，得到的信号与三角波进行比较得到特定占空比的PWM波，特定占空比的PWM波保持输出电压稳定。UCC28019的控制框图如图2。

图2 控制系统原理图

1.3 硬件系统设计

1.3.1 功率校正

UCC28019是美国TI公司最新的有源功率因数校正(PFC)芯片，该芯片采用平均电流模式对功率因数进行校正，适用于宽范围通用交流输入，输出为100W至2 kW的功率因数变换器。该芯片的开关频率固定(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、输出过压/欠压保护等众多系统保护功能。为了有效的减小高次谐波，提高系统的功率因数，本设计采用UCC28019实现功率校正。

1.3.2 功率因数测量电路

为了计算方便，测量功率因数可以通过测量输入电流和输入电压的相位差(设为i)，再取cosi，即为功率因数。输入电流、电压信号经波形转换器得到方波信号，单片机可以通过检测两方波信号的上升沿的时间差，从而得到输入电流和输入电压的相位差 j。本设计中比较器采用 TI公司生产的TLC372作为波形转换器的核心。TLC372工作电压范围广，功耗低，高输入阻抗，响应速度快，驱能力强，在实际应用中，该芯片完全满足应用要求。

2 软件设计

系统软件设计分为两大部分，包括输出检测及显示;功率因数检测，设计流程如图3所示。

3 实验结果

3.1 电压调整率测试

采用100 Ω/3 A可调滑线变阻器作负载，待系统进入额定状态(输出电流为1.2 A)时，改变输入电压，用FluckF179数字万用表监测输出负载电压。记录数据如表1所示。

图3 软件流程图

表1 电压调整率

根据相关公式可计算出电压调整率

3.2 负载调整率测试

负载采用100Ω/3A可调滑线变阻器，待系统进入额定状态(输入电压保持恒定18 V不变)时，调节滑线变阻器，改变输出电流，用Fluck F17数字万用表监测输出负载电压。具体数据参见表2。

表2 负载调整率

由上表可根据以下公式求得负载调整率

3.3 输出电压可调测试

输出电压可调测试方案:采用100Ω/3A可调滑线变阻器作负载，待系统进入额定状态，输入电压保持恒定18 V不变(输出初始电流设定为2 A)时，用Fluck F179数字万用表监测负载电压。通过键盘输入设定电压，具体数据记录在表3设定电压栏。按确认键后读出数字万用表显示的电压，具体数据参见表3)。

表3 负载调整率

3.4 输入功率因数测试

负载采用100Ω/3A可调滑线变阻器，使系统达到额定状态，输入电压和电流均为正弦波。在交流输入段串联一采样电阻，用示波器分别测系统输入电流电压波形，读出其相位差。根据本题的特点，可以用U之间相位差i的余弦cosi作为功率因数。功率因数测试数据如表4所示。

表4 功率因数

4 结论

本文在分析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220 V，输出为直流360 V，功率为500 W。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。

［1］赵同贺.开关电源设计技术与应用实例［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［2］侯振义.直流开关电源技术及应用［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［3］杨旭.开关电源技术［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［4］刘胜利.高频开关电源实用新技术［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［6］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［7］倪海东，蒋玉萍.高频开关电源集成控制器［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［8］王创社，乐开端，谭玉山，等.开关电源两种控制模式的分析与比较［M］.北京:机械工业出版社，1998:52－71.

［9］Brown Marty.Practical Switching Power Supply Design.New York［M］.Academic press，1990.

［10］周志敏，周纪海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用［M］.北京:人民邮电出版社，2005:108－126.

［11］Sam B Y，Ivansky G.Passive lossless snubbers for high frequency PWM converters［M］.Chicago:American library Association，1995.

［12］刘胜利.现代高频开关电源实用技术［M］.北京:电子工业出版社，2001:122－144.

［13］Jack Jone.Computer Numerical Contro［M］.Chicago:Tecnolog Univercity Public，2006.