一种高功率因数的单相AC—DC变换器

李雨　丁志勇　李鹏鹏

摘 要：设计了一种有源功率因数校正（APFC）的高功率因数单相AC-DC变换器。该系统以TI公司专用APFC控制芯片UCC28019为控制核心，实现BOOST式APFC，后级以高效控制芯片TPS54360为控制器，输出恒压36 V，最大输出电流为2.5 A。该系统采用STC12C5A60S2单片机为监测控制中心，具有输出过流保护和功率因数、输出电压、输出电流实时测量和显示功能。在设计时，该系统从布局布线和滤波等方面消除了电磁干扰，使电压调整率和负载调整率都在0.5%以下，工作性能稳定、可靠。

关键词：APFC；AC-DC变换器；UCC28019；STC12C5A60S2

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0024-02

在电力电子技术和电子仪器中，所需的直流电主要来源于交流电网全波整流再加大的电容滤波。但是，其输入电流谐波含量较高，大量高次谐波电流倒灌回电网，产生传导和辐射干扰，对电网产生较为严重的谐波污染。因此，设计高功率因数的变换器，抑制电流谐波污染是势在必行的。

目前，功率因数校正PFC分为主动式（有源）和被动式（无源）两种。被动式PFC电路一般采用电感补偿的方法使交流输入的基波电流与电压之间的相位差逐步减小，以此来提高功率因数，其功率因数只能达到0.7～0.8. 主动式PFC电路是通过专用IC去调整电流的波形，以此对电流、电压间的相位差进行补偿，其功率因数通常可达98%以上，校正效果良好。

1 系统方案设计

该设计输出稳定直流电压36 V，该系统前级采用BOOST式APFC电路，实现功率因数校正，后级BUCK变换器稳定输出电压。系统控制芯片采用TI专用APFC芯片UCC28019，利用电流环和电压环双环完成功率因数校正。通过精密采样、电阻采样输入侧电压和电流信号，经过整形和鉴相电路测得两者的相位差，并计算出功率因数。为了实现输出电压，实时显示输出电流和功率因数，采用宏晶公司的STC12C5A60S2单片机为监控和运算核心。单片机通过A/D对输出电压、电流采样，并调节电位器控制反馈，稳定系统输出电压，由液晶显示屏实时显示。通过电流互感器采样输出电流，并利用比较器和继电器实现2.5 A过流保护。

2 系统硬件设计

2.1 APFC控制电路设计分析及计算

电感L：为了留取一定的裕量，所以选择感值为0.2 mH，允许通过的电流最大值为10 A左右的电感。

输出电容C：通常选择大电解电容作为输出电容。在电感电流连续模式中，容值取决于输出电流、开关频率和期望的输出纹波。为了保证较小的纹波电压，选用470 uF/100 V的电解电容。

2.2 功率因数测量电路分析及计算

前级采用迟滞比较器和过零比较器，将变压器二次侧的电压、电流信号整形、处理为占空比固定的方波，后级为鉴相电路，跟随输出占空比随输入电压和输入电流相位差正比变化的脉冲信号，然后通过单片机测量并显示功率因数值。

2.3 过流保护电路

此模块选用ACS712电流互感器，动作电流为2.5 A，采集的电压经过比较器去控制继电器的通断。如果出现过流情况，控制继电器切断主回路；如果异常情况消失，则电路自动恢复。

3 系统软件设计

系统软件部分包括信号采集和液晶显示部分。单片机通过AD采集输出电压和输出电流，信号经过处理后利用液晶显示。通过捕捉输入电压和电流整流后方波的上升沿，根据相位差计算出功率因数并显示出来。

4 系统测试结果与性能分析

4.1 系统测试结果

经过多次测试，系统电压调整率为0.11%，负载调整率为0.13%，功率因数为0.993 0.

4.2 系统优势与优化

以上重要指标的测试结果反映出该系统的功率因数很高，可以达到99%以上，电压调整率和负载调整率均在0.1%左右，输出电压稳定度高、纹波小、可靠性强。但是，该系统的效率不是特别高，仅为88%左右，可以选用一种肖特基二极管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系统的功耗，提高效率。效率问题是该系统需要重点优化的部分。

5 总结

该系统设计的单相AC-DC变换器，负载调整率和电压调整率均在0.1%左右，输入侧功率因数可达99%，并可由液晶实时显示。此外，还具有输出过流保护和自动恢复功能，只是其效率不是特别高，仅为88%左右，还有待优化。整个系统电路简单、性能稳定、安全、可靠，对APFC电路的设计有一定指导意义。

参考文献

[1]张振华.高功率因数电源设计与实现[J].电源技术应用，2010（08）.

[2]闻长远，王雨曦，姜超，等.一种高功率因数电源的设计与实现[J].电子设计工程，2009，17（7）.

〔编辑：白洁〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2

摘 要：设计了一种有源功率因数校正（APFC）的高功率因数单相AC-DC变换器。该系统以TI公司专用APFC控制芯片UCC28019为控制核心，实现BOOST式APFC，后级以高效控制芯片TPS54360为控制器，输出恒压36 V，最大输出电流为2.5 A。该系统采用STC12C5A60S2单片机为监测控制中心，具有输出过流保护和功率因数、输出电压、输出电流实时测量和显示功能。在设计时，该系统从布局布线和滤波等方面消除了电磁干扰，使电压调整率和负载调整率都在0.5%以下，工作性能稳定、可靠。

关键词：APFC；AC-DC变换器；UCC28019；STC12C5A60S2

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0024-02

在电力电子技术和电子仪器中，所需的直流电主要来源于交流电网全波整流再加大的电容滤波。但是，其输入电流谐波含量较高，大量高次谐波电流倒灌回电网，产生传导和辐射干扰，对电网产生较为严重的谐波污染。因此，设计高功率因数的变换器，抑制电流谐波污染是势在必行的。

目前，功率因数校正PFC分为主动式（有源）和被动式（无源）两种。被动式PFC电路一般采用电感补偿的方法使交流输入的基波电流与电压之间的相位差逐步减小，以此来提高功率因数，其功率因数只能达到0.7～0.8. 主动式PFC电路是通过专用IC去调整电流的波形，以此对电流、电压间的相位差进行补偿，其功率因数通常可达98%以上，校正效果良好。

1 系统方案设计

该设计输出稳定直流电压36 V，该系统前级采用BOOST式APFC电路，实现功率因数校正，后级BUCK变换器稳定输出电压。系统控制芯片采用TI专用APFC芯片UCC28019，利用电流环和电压环双环完成功率因数校正。通过精密采样、电阻采样输入侧电压和电流信号，经过整形和鉴相电路测得两者的相位差，并计算出功率因数。为了实现输出电压，实时显示输出电流和功率因数，采用宏晶公司的STC12C5A60S2单片机为监控和运算核心。单片机通过A/D对输出电压、电流采样，并调节电位器控制反馈，稳定系统输出电压，由液晶显示屏实时显示。通过电流互感器采样输出电流，并利用比较器和继电器实现2.5 A过流保护。

2 系统硬件设计

2.1 APFC控制电路设计分析及计算

电感L：为了留取一定的裕量，所以选择感值为0.2 mH，允许通过的电流最大值为10 A左右的电感。

输出电容C：通常选择大电解电容作为输出电容。在电感电流连续模式中，容值取决于输出电流、开关频率和期望的输出纹波。为了保证较小的纹波电压，选用470 uF/100 V的电解电容。

2.2 功率因数测量电路分析及计算

前级采用迟滞比较器和过零比较器，将变压器二次侧的电压、电流信号整形、处理为占空比固定的方波，后级为鉴相电路，跟随输出占空比随输入电压和输入电流相位差正比变化的脉冲信号，然后通过单片机测量并显示功率因数值。

2.3 过流保护电路

此模块选用ACS712电流互感器，动作电流为2.5 A，采集的电压经过比较器去控制继电器的通断。如果出现过流情况，控制继电器切断主回路；如果异常情况消失，则电路自动恢复。

3 系统软件设计

系统软件部分包括信号采集和液晶显示部分。单片机通过AD采集输出电压和输出电流，信号经过处理后利用液晶显示。通过捕捉输入电压和电流整流后方波的上升沿，根据相位差计算出功率因数并显示出来。

4 系统测试结果与性能分析

4.1 系统测试结果

经过多次测试，系统电压调整率为0.11%，负载调整率为0.13%，功率因数为0.993 0.

4.2 系统优势与优化

以上重要指标的测试结果反映出该系统的功率因数很高，可以达到99%以上，电压调整率和负载调整率均在0.1%左右，输出电压稳定度高、纹波小、可靠性强。但是，该系统的效率不是特别高，仅为88%左右，可以选用一种肖特基二极管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系统的功耗，提高效率。效率问题是该系统需要重点优化的部分。

5 总结

该系统设计的单相AC-DC变换器，负载调整率和电压调整率均在0.1%左右，输入侧功率因数可达99%，并可由液晶实时显示。此外，还具有输出过流保护和自动恢复功能，只是其效率不是特别高，仅为88%左右，还有待优化。整个系统电路简单、性能稳定、安全、可靠，对APFC电路的设计有一定指导意义。

参考文献

[1]张振华.高功率因数电源设计与实现[J].电源技术应用，2010（08）.

[2]闻长远，王雨曦，姜超，等.一种高功率因数电源的设计与实现[J].电子设计工程，2009，17（7）.

〔编辑：白洁〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2

摘 要：设计了一种有源功率因数校正（APFC）的高功率因数单相AC-DC变换器。该系统以TI公司专用APFC控制芯片UCC28019为控制核心，实现BOOST式APFC，后级以高效控制芯片TPS54360为控制器，输出恒压36 V，最大输出电流为2.5 A。该系统采用STC12C5A60S2单片机为监测控制中心，具有输出过流保护和功率因数、输出电压、输出电流实时测量和显示功能。在设计时，该系统从布局布线和滤波等方面消除了电磁干扰，使电压调整率和负载调整率都在0.5%以下，工作性能稳定、可靠。

关键词：APFC；AC-DC变换器；UCC28019；STC12C5A60S2

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0024-02

在电力电子技术和电子仪器中，所需的直流电主要来源于交流电网全波整流再加大的电容滤波。但是，其输入电流谐波含量较高，大量高次谐波电流倒灌回电网，产生传导和辐射干扰，对电网产生较为严重的谐波污染。因此，设计高功率因数的变换器，抑制电流谐波污染是势在必行的。

目前，功率因数校正PFC分为主动式（有源）和被动式（无源）两种。被动式PFC电路一般采用电感补偿的方法使交流输入的基波电流与电压之间的相位差逐步减小，以此来提高功率因数，其功率因数只能达到0.7～0.8. 主动式PFC电路是通过专用IC去调整电流的波形，以此对电流、电压间的相位差进行补偿，其功率因数通常可达98%以上，校正效果良好。

1 系统方案设计

该设计输出稳定直流电压36 V，该系统前级采用BOOST式APFC电路，实现功率因数校正，后级BUCK变换器稳定输出电压。系统控制芯片采用TI专用APFC芯片UCC28019，利用电流环和电压环双环完成功率因数校正。通过精密采样、电阻采样输入侧电压和电流信号，经过整形和鉴相电路测得两者的相位差，并计算出功率因数。为了实现输出电压，实时显示输出电流和功率因数，采用宏晶公司的STC12C5A60S2单片机为监控和运算核心。单片机通过A/D对输出电压、电流采样，并调节电位器控制反馈，稳定系统输出电压，由液晶显示屏实时显示。通过电流互感器采样输出电流，并利用比较器和继电器实现2.5 A过流保护。

2 系统硬件设计

2.1 APFC控制电路设计分析及计算

电感L：为了留取一定的裕量，所以选择感值为0.2 mH，允许通过的电流最大值为10 A左右的电感。

输出电容C：通常选择大电解电容作为输出电容。在电感电流连续模式中，容值取决于输出电流、开关频率和期望的输出纹波。为了保证较小的纹波电压，选用470 uF/100 V的电解电容。

2.2 功率因数测量电路分析及计算

前级采用迟滞比较器和过零比较器，将变压器二次侧的电压、电流信号整形、处理为占空比固定的方波，后级为鉴相电路，跟随输出占空比随输入电压和输入电流相位差正比变化的脉冲信号，然后通过单片机测量并显示功率因数值。

2.3 过流保护电路

此模块选用ACS712电流互感器，动作电流为2.5 A，采集的电压经过比较器去控制继电器的通断。如果出现过流情况，控制继电器切断主回路；如果异常情况消失，则电路自动恢复。

3 系统软件设计

系统软件部分包括信号采集和液晶显示部分。单片机通过AD采集输出电压和输出电流，信号经过处理后利用液晶显示。通过捕捉输入电压和电流整流后方波的上升沿，根据相位差计算出功率因数并显示出来。

4 系统测试结果与性能分析

4.1 系统测试结果

经过多次测试，系统电压调整率为0.11%，负载调整率为0.13%，功率因数为0.993 0.

4.2 系统优势与优化

以上重要指标的测试结果反映出该系统的功率因数很高，可以达到99%以上，电压调整率和负载调整率均在0.1%左右，输出电压稳定度高、纹波小、可靠性强。但是，该系统的效率不是特别高，仅为88%左右，可以选用一种肖特基二极管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系统的功耗，提高效率。效率问题是该系统需要重点优化的部分。

5 总结

该系统设计的单相AC-DC变换器，负载调整率和电压调整率均在0.1%左右，输入侧功率因数可达99%，并可由液晶实时显示。此外，还具有输出过流保护和自动恢复功能，只是其效率不是特别高，仅为88%左右，还有待优化。整个系统电路简单、性能稳定、安全、可靠，对APFC电路的设计有一定指导意义。

参考文献

[1]张振华.高功率因数电源设计与实现[J].电源技术应用，2010（08）.

[2]闻长远，王雨曦，姜超，等.一种高功率因数电源的设计与实现[J].电子设计工程，2009，17（7）.

〔编辑：白洁〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2