基于UCC28019的高功率因数电源的设计

刘 青,徐 赟

（钟山职业技术学院，江苏南京，210049）

基于UCC28019的高功率因数电源的设计

刘 青,徐 赟

（钟山职业技术学院，江苏南京，210049）

该系统采用 TI 公司专用PFC整流控制芯片 UCC28019 作为控制核心，构成电压外环和电流内环的双环控制，构建了有源功率因数校正（PFC）的高功率因数整流电源。其中，电流内环作用是使网侧交流输入电流跟踪电网电压的波形与相位；电压外环为输出直流电压控制环，外环电压调节器的输出控制内环电流调节器的增益，使输出直流电压稳定。系统通过IAP15F2K61S2单片机控制模块实现系统功率因数、输出电压、电流的实时测量、人机交互、输出过流保护等功能。实际测试表明，该系统电路中的功率因数高于0.98，检测误差绝对值小于2%。

UCC28019； PFC；单片机

0 引言

电源设备在性能上一直在不断追求功率因数高、效率高、噪音低、且电磁兼容（EMC）合格。作为高性能电源功率模块，单相AC-DC变换器通过输入电流的高次谐波，提高电源输入功率因数、较好地抑制不可控整流、减小无功功率对电网的谐波污染，使电源设备很好地满足国家及行业相关标准，且可靠性高、一致性好，越来越得到人们更多的重视。本文就是基于采用TI公司开发的专用APFC芯片UCC28019。该芯片振荡频率为65KHZ，为了提高振荡频率的稳定性，避免外界干扰，振荡频率由内部固定。该芯片输出PWM波最大占空比97%，，最大输出电压12.5V，可直接驱动MOSEFT ，8脚灌电流（峰值电流）2.0A，拉电流（峰值电流）1.5A。另外，该芯片还具有输入过流、输入过压、欠压等多种保护功能，用在BOOST电路中能很好地进行有源功率因数校正，被校正电路功率因数趋近于1，完全满足系统设计的要求。

1 硬件设计方案

系统可分为功率因数调节（PFC）部分、数据采集部分、键盘与显示等部分。数据采集部分包括功率因数监测和输出电压、电流检测，功率因数调节部分负责提高系统的功率因数，键盘与显示则提供人机交互方式。当监测电流值大于2.5A时，系统过流保护动作。系统框图如下图1所示：

图1 系统框图

系统主电路原理图设计如下图2所示：

图2 主电路原理图

1.1 功率因素校正电路

功率因素校正电路主要采用美国TI公司提供的有源功率因素校正（PFC）芯片UCC28019，该芯片通过平均电流模式进行对功率因素的校正，振荡频率由内部固定为65KHZ，且具有众多系统保护功能，适用于较宽范围的通用交流输入，100W至2kW输出功率的功率因素变换器。

根据UCC28019芯片工作原理可知，其输出的PWM波占空比是根据电压环路的反馈电压输入到VSENSE脚与+5V基准电压比较，经差分放大后改变PWM斜坡的斜率进行调节的。则可知系统稳定状态时该引脚的电压一定是5V，根据该特性可以利用电阻的分压比，利用D/A转换器通过设定最低的电压来控制最终的输出，从而达到数字设定输出值的目的。D/A转换器采用TI公司16位数模转换器DAC8811即可。

根据TI公司官网上设计软件，输入数据可得到外围电路的一系列参数，电路设计如上图2所示。

1.2 单片机控制模块

本系统设计时选用STC公司的IAP15F2K61S2单片机芯片作为核心控制模块，完成功率因数等参数的测量及显示。该芯片运算速度比普通8051快8-12倍，内置8路10位模数转换器，内存容量大，是一款不需外部晶振、不需外部复位的单片机，一个芯片就是一个仿真器，是全球第一款真正意义上的单片机。

1.3 主回路器件选择及参数

由于UCC28019输出PWM波，可以直接驱动开关管的通断，所以最终系统主回路只包括Boost电路。

（1）开关场效应管及肖特基二极管的选择

在MOS管导通时，电流流过MOS管，肖特基二极管承受反向电压；在MOS管关断时，电流流过肖特基二极管，MOS管承受正向电压。考虑到系统开启等一系列动作带来的冲击效应，二者应满足IDmax(I0)≥16A，UDSS(Umm) ≥72V。

（2）电感参数计算

脉动电流与平均电流之比m取0.25。

（3）电容的参数计算

△UO为负载电压变化量，为增强高频响应，可以采用在输出端并联多个无级吸收的方式，以减少毛刺。

2 软件设计方案

采用STC公司的IAP15F2K61S2单片机芯片作为主控芯片，对硬件电路的相关参数进行测量。对于功率因素等相关参数的测量，我们采用霍尔和互感器为主要检测器件的硬件检测电路得到相关数据，通过A/D 转换送入单片机内进行软件算法处理，最终得到想要的数据送到液晶显示。系统软件主程序流程图如下图3所示：

3 性能测试

表1 性能测试数据表

测试说明：负载采用100Ω/3A规格的可调滑线变阻器；测电压调整率时，保持输出电流为1.2A，通过调节滑线变阻器，来改变输入电压，检测输出负载电压的变化情况；测负载调整率时，保持输入电压为24V，通过调节滑线变阻器，来改变输出电流，检测输出负载电压的变化情况；测输入功率因数时，使系统工作在额定状态，输入电压和电流为正弦波，采样电阻串联在交流输入端，测出系统输入电流与电压波形的相位差，计算出U0、I0之间相位差的余弦cos，即系统的功率因数。

图3 主程序流程图

通过对测试数据的分析发现，由于系统采用数字闭环反馈调节，经过实时采样，可使负载调整率和电压调整率达到很高的稳定度，功率因数由于采用UCC28019电流跟踪电压式调节，使输入的电压、电流相位差很小，功率因数可高达99%。

4 结束语

测试结果显示，该系统功率因数高达98%以上，稳定性好，并且较好的完成了功率因数的检测显示。本系统是采用了双闭环来提高系统的性能，一是输出电压控制环，通过反馈网络稳定输出电压；二是电流控制环，通过对输入电流的检测来实行电流波形优化。通过这些功能简化了实际硬件的电路设计，而且能达到很好的效果。

[1] 李毅. 直流稳压电源的设计和制作[J]. 中国教育技术装备. 2009(09)

[2] 雷丹. 一种非隔离型高功率因数开关电源的研制[J]. 电气技术. 2011, 30(16):56-58

[3] 郑愫,龚春英等. 基于UCC28019控制的单相PFC工作原理及实现[J]. 电源学报. 2014 (15):35-39

刘青，硕士研究生，钟山职业技术学院副教授，研究方向为测控技术、电子信息技术。

徐赟，硕士，钟山职业技术学院高级实验师，研究方向为电子技术、计算机应用。

图1 潜油电泵实时监测系统运行效果图

2 结果与分析

本文讲解了在基于VC++6.0的开发环境下，通过多线程技术，成功完成了潜油电泵监测系统的实时处理。潜油电泵下位机通过单片机从TXD端以十六进制的形式将数据发送到上位机，即潜油电泵实时监测系统。该系统对接收到的温度压力等相关数据进行分析、处理以及实时显示波形，从而实现了对井下参数的实时观测。成功实现了51单片机与PC机之间的串口通信及图形的产生。潜油电泵监测系统部分数据及图形显示如图1所示。

3 总结

本文利用多线程技术实现对数据的采集保存及实时显示，程序的编写自由灵活、可移植性强、稳定性好且可靠性强。顺利实现了对潜油电泵设备井下工况的实时监测，从而使得该设备的运行更具可靠稳定性，方便对设备的自动化控制。

参考文献作者简介

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[4]邱建华，彭志豪.串口通信技术在Visual C++中的实现[J].技术，2005(5):94-95.

[5]齐军，井下工况状态监测系统研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学，2007年.

[6]cPCI-9116 Series 16-bit Multifunction DAS Card User’s Manual[M].ADLINK Technology Inc．

师阿香，女，1988年生，在读硕士，主要研究方向为自动化仪器仪表。

Design of high power factor power supply based on UCC28019

Liu Qing,Xu Yun
（Zhongshan College of Vocation and Technology,Jiangsu Nanjing,210049）

The system uses TI PFC rectifier control chip UCC28019 as the control core, which constitutes the dual loop control of voltage outer loop and current loop, and the active power factor correction (PFC) is constructed. The current inner loop is to make the input current of the network side AC input current and phase of the grid voltage. The output voltage is controlled by the output DC voltage. System through the IAP15F2K61S2 microcontroller control module to achieve system power factor, output voltage, real-time measurement of current, human-computer interaction, the output flow protection and other functions. The practical tests show that the power factor of the system is higher than 0.98, and the detection error is less than 2%.

UCC28019; PFC; single chip microcomputer

TM46

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