UCC28019详细计算参数(共21页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第三届“蓝电”杯电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题） 湖北工业大学蓝电中心童剑 李杰 费恺2014年3月6日 摘要本设计以STM32单片机为控制器，采用了TI公司的UCC28019芯片，搭建了一个单相AC-DC变换电路。本系统由变压器模块、AC-DC变换电路、功率因数检测电路、功率因数调整电路和电流检测电路等组成。在实验装置的电源电路中，对电源的输出直流电压、直流电流和电源的功率因数进行了测量，并通过键盘对电源的输出直流电压进行设定。实验结果表明，当电源的进线交流电压和负载电流，在比较宽的范围内变化的时候，电源的输出电压能够保持较高的稳定性；具有过流和过压的保护功能。利用UCC28019功率因数校正功能，将电源装置的功率因数提高到了0.98以上，并能够将功率因数在0.8-1.0之间调整，达到了预期的目标。关键词：STM32单片机、UCC28019、AC-DC变换、功率因数。 目 录一蓝电杯题目.4二方案论证与比较-62.1 PFC模块-.62.2单片机控制电路.62.3显示模块.62.4功率因数测量电路子系统电路.62.5电路保护模块.72.6直流电源供电模块.8三理论分析与计算-93.1功率因数测量方法-9 3.2提高效率的方法及实现方案.9 3.3系统整体框图.-10四功率因数主回路-.10五 控制电路与程序控制.12 5.1程序的设计 .125.2程序的流程图.125.3过流保护电路.13六测试方案与测试结果.146.1测试方案.146.2 测试条件与仪器.146.3测试结果及分析.15附录一：高功率因数原理附录二：UCC28019外围电路计算附录三：作品实物一蓝电杯题目 系统总框图设计并制作如图所示的单相AC-DC变换电路。输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A。2.1.基本要求 （1）在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A 条件下，使输出直流电压Uo=36V±0.1V。 （2）当Us=24V，Io 在0.2A2.0A 范围内变化时，负载调整率SI 0.5%。 （3）当Io=2A，Us 在20V30V 范围内变化时，电压调整率SU 0.5%。 （4）设计并制作功率因数测量电路，实现AC-DC 变换电路输入侧功率因数的测量，测量误差绝对值不大于0.03。 （5）具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A±0.2A。2.2.发挥部分 （1）实现功率因数校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 条件下，使AC-DC 变换电路交流输入侧功率因数不低于0.98。 （2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 条件下，使AC-DC 变换电路效率不低于95%。 （3）能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围不小于0.801.00，稳态误差绝对值不大于0.03 二.方案论证与比较2.1 PFC模块 方案一：采用无源PFC电路。无源PFC电路不使用晶体管等有源器件，而是由二极 管、电阻、电容和电感等无源元件组成。采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.70.8。 方案二：采用有源PFC电路，有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小， 可以达到很高的功率因数，基本可以达到98%以上，但成本要高出无源PFC一些。本电路采用是UCC28019芯片。UCC28019的VINS采集整流后的电压，通过ISENSE端口采集电流来跟踪采集的电压，减小失真度。VSENSE端口检测反馈电压，在内部进行比较，从GATE端口输出电压，来驱动MOSFET开关管工作，而且内部具有过压过流保护功能。该芯片具有较强功率因数矫正功能，使用该芯片能使输入的电压、电流的信号的相位差大大减小，功率因数可以提高到0.98以上，从而提高电路有功功率。通过比较两种方案，方案二能够更好的实现高功率因数电路的控制要求，故采用方案二。2.2单片机控制电路方案一：采用通俗的51单片机，51单片机运用广泛，有良好的知识做基础，上手快，但是单片机内部不含ADC，电路需要外接A/D转换电路实现其功能。方案二：系统采用stm32f103作为控制芯片，stm32f103内部有丰富的资源，6个8位并行口其中有两个有中断功能，12位的ADC，强大的定时器，大容量的RAM和ROM。Stm32单片机最大的特色就是超低功耗，适合低功耗的应用场合。比较两种方案，方案二单片机系统更为强大，处理数据能力更强，所以选择方案二。Stm32显著特点1、ARM最新的Cortex-M3内核。优先级抢占的中断控制器，支持中断自动嵌套，硬件完成现场保护与恢复，中断嵌套时，只需保护和恢复一次现场，即使在恢复现场的时候再次中断也不需要再次保护现场，只需6个clk的调整时间。2、居然只需7个滤波电容就能构成最小系统3、外设的引脚居然可以重影射4、RAM居然可以通过位绑定技术按位来访问5、居然装备了可编程的掉电监测器6、居然有带电池供电的数据备份寄存器7、芯片进入低功耗模式后可以通过“事件”唤醒，而无须执行中断子程序8、定时器居然有前置的倍频器9、2个12位的AD却拥有高达1M的采样速率，AD模式更是天花乱坠，传说中的注入模式10、GPIO刷新速率可设定，支持位的原子操作，还能锁定方向，居然还有个脚叫“入侵检测引脚”，发生“入侵”时硬件自动记录时间，只要有后备电池。为西门子保留了单脉冲的输出功能（据说用于PLC的）11、原来还有一种狗叫模拟看门狗12、可检测PWM脉宽和频率（硬件直接支持）13、集成电机控制和霍尔接口14、原来还有一种狗叫窗口看门狗过早或过晚喂狗，狗都会让系统复位15、还集成了第三只狗，独立看门狗，这种狗比较常见16、SPI还带硬件的CRC校验高达18Mb/s的通讯速度17、支持两个设备地址的I2C总线，据说任天堂的游戏机常用到这种功能，I2C同时支持SMBUS2.0和PMBUS模式18、USART速度高达4.5Mbps，不仅支持IrDA还与接触式的IC卡协议兼容2.3显示模块方案一：数码管内部通过二极管的明灭来进行显示数字，采用4个共阴极数码管作为功率因数测量显示部分，数码管操作简单，执行效率高，价格低方案二：液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。 比较两种方案，由于数码管显示字符有限没能满足我们要求，我们组选用市场上面通用LCD1602。LCD1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低等特点.2.4功率因数测量电路子系统电路在 LM393 的输入端加了两个IN4108稳压二极管将输入信号控制在 -0.7V+0.7之间，经过零比较器将正弦信号转变成方波；用触发器CD4013去除高频信号，滤除谐波干扰；通过2个施密特整形触发器，得到TTL方波信号。送入单片机进行分析处理。原理图如图2所示：图22.5电路保护模块继电器驱动接口电路如图3所示，如果输入信号为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而断电保护。继电器的输出端并联100的电阻和6800pF的电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。每个继电器都有一对常开常闭的触点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。图32.6直流电源供电模块采用78系列和79系列芯片，可以将变压器输出的电压转换为各个模块的所需的稳定直流电源供电，提供稳定的12V，5V，3V3，-5V。电路如图4图43.理论分析与计算3.1功率因数测量方法对于功率因数调整的方法，如图所示，我们通过设定一个合适的电压值，使得电压达到该值后，电流才能跟踪电压。从而改变开关管的开关占空比，可达到调整功率因数的目的。功率因数说明：在假设变压器副边电压U2为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为：式中：U2、I2分别为变压器副边的电压、电流有效值，I21为I2中的基波分量，为U2和I21之间的相位差。为计算简单，就用U2、I2之间相位差的余弦作为功率因数。3.2提高效率的方法及实现方案该系统内部的损耗主要集中在LC滤波电路、隔离变压器、开关管等器件，因此，做好这些的吸收缓冲和正确的参数选择是提高次系统效率的有效途径。实现方案是：（1） 在开关管D,S两极间加RC吸收缓冲回路。合理的吸收缓冲回路不但降低了功率器件的浪涌电压和浪涌电流，而且还降低了器件的开关损耗和电磁干扰，避免的器件的二次击穿。（2） 加粗导线，加大主回路电流容量。（3） 选择导通电阻小的开关管，减少开关管的导通损耗。（4）减小滤波电感的附加损耗，绕制电感用漆包线尽量增大其线径。 3.3系统整体框图 4功率因数主回路 UCC28109芯片介绍：UCC28019是一款8引脚的连续导电模式（CCM）控制器，该器件具有宽泛的通用输入范围，适用于100W至2kW以上的功率变换器。有源功率因数校正控制器UCC28019使用Boost拓扑结构，工作于电流连续导电模式。欠压锁定期间的启动电流低于200uA。用户可以通过调整VSENSE脚的电压低于0.77V而使系统工作于低功耗待机模式。该控制器不需要检测电网电压，利用平均电流控制模式可以实现输入电流较低的波形畸变，大大减少了元器件数量。简单的外围电路非常便于对电压环和电流环进行灵活的补偿设计。开关频率可以控制在±5%的精度，可以为外部开关管提供快速1.5A峰值栅极驱动电流。该控制器具有许多系统级的保护功能，主要包括峰值电流限制，软过电流保护，开环检测，输入掉电保护，输出过压、欠压保护，过载保护，软启动，芯片内部将栅极驱动电压箝位于12.5V等。(1) UCC28019的特点连续导电模式控制器UCC28019具有以下特点： 不需要对电网电压进行检测，减少了外围元器件 宽范围的通用交流输入电压 65kHz的固定开关频率 最大占空比达97% 输出过压、欠压保护，输入掉电保护 单周峰值电流限制 开环保护 低功耗待机模式(2) UCC28019引脚说明UCC28019采用8-Lead PDIP和8-Lead SOIC两种封装形式，其引脚排列如图5所示，引脚功能介绍如下GND GATE ICOMP VCCISENSE VSENSEVINS VCOMP12348765图5 UCC28019的引脚排列（SOIC-8、PDIP-8）表2.1 UCC28019引脚功能说明引脚号引脚符号引脚功能1GND芯片接地端2ICOMP电流环路补偿，跨导电流放大器输出端，引脚的工作电压高于0.6V3ISENSE电感电流检测。该管脚通过对电流检测电阻外接一220电阻可以有效抑制浪涌电流的涌入4VINS交流输入电压检测。当系统交流输入电压高于用户定义的正常工作电压或低于掉电保护电压时，输入掉电保护（IBOP）动作5VCOMP电压环路补偿。该引脚经过外部阻容电路接地，构成电压环路补偿器6VSENSE输出电压检测。Boost PFC变换器的直流输入电压经过电阻分压器采样后接入该引脚，为了滤除高频噪声干扰，该引脚对地外接一个小电容7VCC芯片工作电源。为防止高频噪声对电源的干扰，通常该管脚对地外接一个0.1uF的陶瓷电容，并且尽量靠近UCC28019芯片8GATE栅极驱动。推挽式栅极驱动，可以驱动外部一个或多个功率MOSFET，提供1.52.0A电流驱动 附录三为UCC28019芯片的内部框图及应用电路。整流后的输入电压经过电阻RVINS1和RVINS2分压，送入VINS端，通过ISENSE端采集到的电流信号来跟踪VINS采集到的电压。通电后，振荡器开始振荡，输出65KHz定时脉冲进入RS寄存器，与其他各路控制信号共同决定GATE端输出的驱动脉冲，控制MOSFET开关管工作。5控制电路与程序控制 5.1程序的设计 1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现显示功能。显示部分：显示功率因数。2、程序设计思路系统软件控制功率因数测量部分的侧相电路工作。上电后，系统进行初始化，然后调用取样子程序，检测当前电压电流的相位差，根据测量公式显示功率因数。 5.2程序的流程图5.3过流保护电路本系统采用单片机通过A/D实时监控输入电压和输出电流的值，在输出电流上升到I=(2.5A0.2A)时启动控制程序切断继电器使电路开路。从而实现输出过流保护功能。6测试方案与测试结果 6.1测试方案6.1.1硬件测试：（1）负载调整率的测试方法：在输入电压调为24V，输出电压设置为36V的条件下，调节负载电阻使输出电流在0.2A2.0A范围内变化，测量输出电压，分别记为和，则负载调整率（）100%，即为负载调整率。（2）电压调整率的测试方法：调节负载当输出电压达到稳定值36V时，使输出电流为2A。调节调压器，使整流电路输入电压分别在2030V范围内变化，测量这两种情况下输出电压，分别记为和，则电压调整率S1（）36100%，即为电压调整率。（3）功率因数的测量：通过调节负载，输出不同电流值的情况下，用示波器的探头夹在鉴相的输出点，测量波形的占空比D，即可计算功率因数 ，与液晶显示的功率因数PF1比较计算误差。（4）电路效率测量： AC/DC电路效率,其中,6.2 测试条件与仪器6.2.1测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。 6.3测试结果及分析6.3.1测试结果(数据) （1）当输入交流电压Us为24V，负载电流为2A时，将输出电压稳定在36V 测量结果如表1（:误差参考电压U=36V0.1V）表1 测量输出电压（采用安捷伦五位半数字万用表测试）Us(V)Io(A)(V)误差24236000 (2) 在输入电压调为24V，输出电压设置为36V的条件下，调节负载电阻使输出电流在0.2A2.0A范围内变化时，测量输出电压。表2 负载调整率（采用安捷伦五位半数字万用表测试）Us(V)Io(A) (V)误差240.236.080.25%242.035.987(3) 在输入电压调为24V，输出电压设置为36V的条件下，。调节调压器，使整流电路输入电压分别在2030V范围内变化时，测量这两种情况下输出电压。表3电压调整率（采用安捷伦五位半数字万用表测试）Us(V) (V)误差2035.930.47%3036.14.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、该电源输出的直流电压能够保持较高的稳定性；2、该电源具有良好的电压调整率和负载调整率；3、该系统采用有源功率因数校正，可改善电源输入功率因数，电源交流输入功率因数达到0.89以上；4、电源具有过流保护功能。综上所述，本设计达到设计要求。附录二一：高功率因数原理图附录二：UCC28019芯片原理附录三主电路参数计算:1涉及中，首先确定峰值电流Iin_peak，者可根据电源的效率=0.92和要求达到的功率因数PF=0.95来计算。2整流二极管的计算，根据Iin_avg的大小来确定使用的元器件，这里选用RS606整流桥堆。3输入电容（Cin）的计算，这个电容量很小主要是滤除整流输出电压中的高频部分，通过计算出允许的纹波电流值Iripple级纹波电压值Vin_ripple(max),可以得到输入电容Cin的最大值，我们将Iin_peak(max)的20%作为纹波电流Iripple，电压纹波系数6%，根据UCC28019资料可以，Fsw=64KHz为最好状态；计算过程如下。将Iripple和Vin_ripple(max)代入下式即可得到4升压电感（Lbst）的计算，起到储能的作用；按照占空比D=0.5可以计算出斩波电感的最小取值。5输出滤波电容（Cout）的计算，该电容的选择主要满足输出电压保持时间；但要求在保持时间Iholdup=1/fline(min)内，开关电源输出电压不低于30V时，这输出滤波电容容量按下式计算。6反向快速恢复二极管（Dbst）的计算，承受的重复峰值反向击穿电压平均正向电流，反向恢复时间和热考虑，为减少功率开关的损耗，但选择超快恢复二极管，开关损耗可以忽略不急，可根据功耗及恢复时间来选择相应的元件，按照二极管压降Vf=1.5V，Iout=2A来计算，二极管功耗为P=3W，我们选择HEF307.7功率开关元件的计算，主要依据升压电压，传递的功率等参数，损耗主要有两种：导通损耗和开关损耗，其中导通损耗计算公式。 开关损耗,其中Fsw=65KHz,T=4.5ns,Coss=780pf;总功耗=4.2W如果选择MOFET，则需满足上述的损耗要求，而且可行的开关速度可以超过120MHz，因此选择IRF540N8取样电阻（Rsense）的计算，主要是对电感电流进行电流进行取样；考虑到软件过流保护的下限Vsoc=0.66V级电感峰值电流的最大取值，取样电阻Rsense的计算如下9 Rsense1的计算为使器件避免由于瞬时峰值电流的损害，用一个Rsense=220和电阻与Isense引脚串联，同时在该引脚处于地线之间接一只1000pf的电容Csinse，以改善抗干扰性能。10Rfb1的计算，为了使电源功耗尽可能小及使反馈电压误差最小，反馈电阻Rfb1=1M，Rfb2按下式计算：，实际取值Rfb=160K，另外还需要在Vsense引脚出接一只小电容以滤除噪声干扰，一般Csense=820pf。11输入低电压保护电路中，由Rvinse1和Rvinse2分压获得的电压，从UCC28019的第四引脚，当该引脚电压低于0.8V时，芯片将切断从8脚的驱动输出。Rvinse1和Rvinse2的参数计算如下。假设流进分压电阻的电流为输入偏置电流的150倍，即Ivins=150*0.1uA=150uA,Vac(on)=22V,Vac(off)=20V,则另外在VINS引脚与地之间还接有电容Cvins，主要作用是滤除纹波电压，防止无触发输入输入低电压保护电路；其次可以延迟一点时间启动输入低电压保护电路，Cvins的放电时间一般要求大于电容的保持时间；Cout的保持时间为一个周期，故当Cvins旳放电是满足半周期的2.5倍时，可以按下式得到Cvins的值；12Vcomp端的补偿网络参数的计算，一个由电阻和电容组成的网络连接在VCOMP端与地之间起到补偿的作用，跨导误差电压放大器输出的电流对该网络的电容进行充电或者放电，目的是建立适合的VCOMP电压来保证系统正常运行，电压传递函数的开环增益在10Hz时Gvldb=0.709dB,可知gmv=42uS,K1=7,Kfq=65KHz,M1M2=0.37v/us,Fv=10Hz,fpqle=20HZ.g根据已知条件首先需要计算出脉宽调制到功率级的极点Fpwm_ps的值，然后根据相应的公式计算出各元件的参数。实际取值Cvcomp=2.2uf，Rvcomp=27K，Ccomp_p=0.33uf。13Cicomp的计算Icomp端是跨导电流放大器输出端，此端与地之间接有一补偿电容Cicomp，主要其补偿和平均取样电流信号的作用，从手册可以得到平均电流极点Fiavg=9.5KHz，gmi=0.95mS，M1=0.484，K17，则可以利用公式计算出Cicomp取值。；附录四：作品实物图专心-专注-专业