单相电AC-DC转换电路的设计

曲阜师范大学计算机科学学院 明利涛

1.整体方案设计

本方案通过有源功率因数校正技术与BOOST电路共同构成AC-DC转换电路，通过反馈信号使UCC28019芯片在GATE端生成一定占空比的方波，从而驱动大容量MOSFET的栅极改变其导通率，进而完成输出电压的稳定。同时采用A/D进行负载端采样并将采样结果送入单片机，当检测到负载两端电流超过2.5A，单片机就会相应地输出触发信号控制继电器的开关，使其断开主电路线路达到过流保护作用。

系统有四个模块电路构成：变压模块，整流滤波模块，DC-DC转换模块，PFC校正和显示模块。其结构框图如图1所示：

图1 系统组成框图

2.组成模块方案

本设计中核心是采用PFC功率因数校正技术，因此主要对PFC控制方案的选取进行论证。

2.1 DC-DC变换方案

采用带PFC的Boost型DC-DC升压器。该电路有专用的控制芯片，容易实现，电路结构简单，同时采用PFC功率因数校正技术，功耗低，输出电压范围宽。输出电压波形中毛刺也比方案一要小。

2.2 功率因数校正控制方案

本设计中引用PFC功率因数校正技术主要目的：一是通过调节UCC28019芯片中的电流误差放大器的输入来功率因数；二是通过监测电路，根据监测结果运用控制电路来调节PFC控制芯片UCC28019的电压误差放大器大小，从而稳定输出电压。

采用BOOST+UCC28019实现。UCC28019是一种采用平均电流模式对功率因数进行校正的芯片，该芯片使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1%，实现了接近于l的功率因数。该方案步骤少，外围电路简单，调试方便，只需调节放大器的补偿网络且方案已经相当成熟。

2.3 显示器模块

使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。采用1602液晶显示器，可根据需要同时显示功率因数与采样电流、电压。

3.理论分析与计算

3.1 提高效率方法

在电源设计中由于开关损耗和器件导通损耗及其他损耗，使得电源电路的高效率要求一直很难达到。当效率达到一定效果时，再提高其效率就比较难了。常用的移相零电压开关，同步整流的方法在提高效率上虽然有所提高，但付出了很大的代价。在效率方面，由于非稳压的高于稳压的、非隔离的高于隔离的、窄电压范围的高于宽电压的，因此解决提高效率问题上可以用方案：PFC+非稳压半桥变换器+肖特基整流二极管。

PFC可以起到稳压，与后级电路隔离的作用；非稳压半桥变换器通过变换导通两个开关管来实现零电压开关，使开关管的损耗几乎仅为导通损耗，从而大大降低损耗提高了效率。

3.2 功率因数调整方法

本系统的功率因数调整采用专门的PFC芯片，通过取样电阻的负极性电压信号经反向器后与斜坡信号发生器进行比较，经SR触发器在与内部65K振荡器一起控制PWM的占空比，从而控制功率开关器件通断。ICOMP的电压迫使电感电流跟随输入电压波形，使输入电流波形与电压同相，从而实现功率因数校正。

图2 功率因数测量电路

4.硬件电路

4.1 功率因数测量电路设计

如图2所示，功率因数测量电路设计思路是计算电压与电流的相位差，再根据功率因数公式求得，交流电经电压、电流互感器减弱，再经过零比较整形与D触发器合成方波送入单片机计算求出结果。

4.2 PFC及过流保护电路设计

图3 过流保护电路

图4 稳压电路

4.3 电源电路设计

在本设计中，运放需±15V供电，单片机需、A/D、D/A需+5V供电，采用三端稳压器7805、78H15、79H15构成一稳压电源，题目要求输出电流范围是200mA～2000mA，而78H、79H系列稳压器输出电流最大可以达到5A，能为系统提供足够大的稳定电流。稳压电路如图4所示：考虑系统对功率要求较高，所以在设计中选取了输出功率50W的变压器，输入电压由变压器和全波整流滤波电路产生。

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