功率因数可调单相AC_DC变换电路_杨力.docx

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1、 The Single 子 hase AC4)C Conversion Circuit with Power Factor Adjustable YANG Li， ZHANG Shibin， ZHAO Ning (School of Electronic Science and Engineering, Southeast University y Nanjing 210096 China) Abstract: This design is a single 卞 hase AC4)C conversion circuit with power factor adjustable based o

2、n UCC28019A. MSP430 is selected as the control core. We adopt the high precision 244)it 2 _ A ADC to measure the input voltage RMS， the input current RMS， the active power RMS， the power factor and some other parameters. The power factor correction is accomplished by UCC28019A. By controlling the di

3、gital phase shift circuit to shift the phase of the current feedback signal, the power factor can be set in the range of 0. 8 to 1.0. By detecting the output current and voltagethe circuit has the function of 2. 5 A overcurrent protection and 36V regulated output. Key words: AC-DC ; adjustable power

4、 factor; UCC28019A; PFC; MSP430 EEACC :1290B ;8150 doi: 10.3969/j. issn. 1005 - 9490.2015.02.017 功率因数可调单相 AC- DC 变换电路 # 杨 力 ， 张 师 斌 ， 赵 宁 $ (东南大学电子科学与工程学院，南京 210096) 摘要 ：基于 UCC28019A 设计的功率因数可调单相 AC43C 变换电路。 MSP430 单片机作为其控制核心，使用高精度 24 bit 2- A 型 ADC 采样，可完成对输入电压有效值、输入电流有效值、有功功率有效值、功率因数等参数的测量。由 UCC2801

5、9A 完成 功率 因数的校正，通过控制数字移相电路对外围电流反馈信号移相，实现功率因数在 0.81.0 范围内的调整。本设计还可通过对 输 出电流和电压的监测，实现 2.5 A 过流保护和 36 V 稳压输出的功能。 关键词： AC45C; 功 率因数可调 ;UCC28019A; PFC; MSP430 中图分类号 :TM933.3 文献标识码 :A 随着电力电子的飞速发展，电网中的谐波污染 也 日趋严重，许多 ACDC 电路没有对功率因数进行 校 正，其对电网的污染降低了用电设备的效率，造成 一 系列危害，阻碍了电力电子技术的发展。 而解决这一问题的有效办法就是有源功率因数 校正技术 APF

6、C (Active Power Factor Correction)。 有 源 功率因数校正，就是从电路上采取措施，通常是在 电 源输入级接入功率因数校正网络 1，使得电源的 输入 电流与输入电压同相，以实现功率因数的校正。 本系 统实现了功率因数校正的功能，在高效率 AC- DC 变换 的同时减少了对电网的谐波污染，测量并 显示输出电 压、功率因数等参数，具有稳压输出和过 流保护功能， 而且本系统还实现了功率因数可调的 文章编号： 1005 -9490(2015)02 -0312 -05 功能，可模拟低功率因数电路，相比单一的功率因数 校正电路具有更广阔的应用性。 1 设 计 方 案 及 工

7、 作 原 理 1 . 1 系 统 总 框 图 系统总框图如图 1 所示，变压器交流电压经过 ACDC 变换电路，输出直流电压，其中 AC4)C 变换 电 路完成功率因数的校正。根据功率因数测量电路 的输 出， MSP4302反馈控制移相电路精准调节功率 因数。 电压电流测量电路实时监测输出电压和电 流。若电压 超出阈值，输出端接入 DCDC 降压电 路，保证输出 电压不变。当输出电流超出阈值， MSP430 切断电路， 完成过流保护。其中 4x4 键盘用 项 0 来源 :2013 年全国大学生电子设计竞赛省级一等奖作品 收 稿日期 :2014 - 05 - 10 修改日期 :2014 - 06

8、 - 05 于手动设置功率因数， LCD12864 用于显示测得的 各个参数。 本系统作为功率因数可调单相 ACDC 变换电 路，主要参数指标如下：其输入电压范围为交流 20 V 30 V,输出电流矣 2.5 A，输出电压稳定在直流 36 V, 其功率因数在 0.8 1.0 范围内可调。 1 . 2 功 率 因 数 校 正 分立元件搭建的 APFC 电路 3由于模块冗杂， 且 DSP 控制算法 4难度高，功率因数难以达到很高 的 指 标 。 所 以 方 案 使 用 基 于 连 续 电 流 控 制 模 式 5 (CCM )的功率因数校正芯片 UCC28019A6， 其 APFC 图 1 系 统

9、总 框 图 该电路采用 UCC28019A 集成芯片，比分立原件 搭 建的电路更加可靠稳定，且电路外围电路简单，易 于 设计，其中 Vsense 引脚接输出电压反馈，在合适 输 入电压范围内可保证输出电压稳定不变。如图 2 所示， 通过将芯片的 3 脚与电流反馈信号断开，接入 如图 4 的移相电路，实现功率因数的调整。 的电路如图 2 所示。 电路如图 3 所示。 该电路传递函数推导如下： 看作理想运放，则有 t/+ = t/_，代入求解得 : 1 . 3 功 率 因 数 调 整 UCC28019A 通 过 芯 片 内 部 电 流 和 电 压 环 双 环 控制来完成功率因数校正。根据这一点，功

10、率因 数 的调节通过将电流反馈信号移相实现，而本系统 要 求 功 率 因 数 在 0 . 8 1.0 可调，当功率因数为 0. 8 时，电压与电流相位差为 36. 86，系统移相电 路至 少需保证 0 36.68的相移。采用常用的 RC 其模为 1，理论上只产生相移而不会影响幅值。 当 尽 = 0 时 ， 相 移 为 0 ; 当 = 时，相移为 314 电 子 器 件 第 38 卷 将图 3 移相电路中的可调电阻用数字电位器 X9C102(1K)代替，电阻值可以通过程序控制，即程 序 控制相位移动，电路图如图 4 所示。 1.4 功率因数测量 由于电流电压波形会失真，测量电流和电压的 波 形的

11、相位差计算功率因数的方法误差很大，所以 不 适用。功率因数可由 PF=P/S7而得， P 为有功 功率， S 为视在功率， S 可直接由测得的输入电压电 流的有效 值相乘得到，而有功功率可直接将电压电 流波形通过乘法器后再计算其有效值得到。在变压 器 绕几圈线接出即可得到输入电压波形，使用霍尔 电 流传感器得到电流波形。有效值测量直接使用集 成 有效值计算芯片 AD6378， 然后为了 AD 采样的 精 准 和 稳 定 ，使 用 了 24 bit X - A 型 AD 芯 片 ADS12489， 保证高测量精度。其电压有效值测量 电路如图 5 所 示。其电流有效值测量电路如图 6 所 示。其有

12、功功 率功率测量电路如图 7 所示。 1.5 DC4DC 降压 当输入交流电压有效值大于 25. 5 V 时，由 UCC28019A 控制的 Boost 升压电路的输出电压将超出 36 V。 所 以需要接一级可接入的降压电路稳定到 36 V，若使用线性稳压芯片会影响电源效率，所以采用 Buck 降压 第 2 期 杨力，张师斌等 :功率因数可调单相 AC-DC 变换电路 315 电路 1，效率可达到 96%以上。因为降压电路的切换需要采集当前的电压输出，而且只在输入电压过高的 时候 使用，所以 buck 电路采取软件闭环控制，控制简单稳定， MCU 负担不大。其电路如图 8 所示。 1 . 6

13、输 出 电 流 测 量 在最终电压输出端，与负载串联一个 100 mfl 的 电阻，其上电压正比于负载电流，两端电压通过 INA282 差分放大后接入电压跟随器，由 AD 采集最 后输出后 计算可得负载电流。在检测到输出电流大 于 2.5 A 情 况下，电路自动切断，实现过流保护。 2 系 统 软 件 设 计 分 析 2 . 1 主 程 序 流 程 图 系统软件设计分析主程序流程图如图 9 所示。 图 9 主程序流程 图 2 . 2 核 心 程 序 模 块 设 计 2.2.1 AD 采样与显示 整 个 系 统 需 要 对 多 路 模 拟 信 号 进 行 AD 采 集， 而电路纹波较大，为了 A

14、D 采集的稳定和精准， 采用 24 bit X - A 型 AD 芯片 ADS1248, ADS1248 是 SPI 接口 11。所以在程序中让 MSP4 3 0 的 1 0 口 模 拟 SPI 的时序，以实现对不同端口的 AD 值的读取。 采 集的值是 24 bit 二进制，所以用长整型格式保存， 为 了避免一次采集数据的误差，所以程序对 AD 值又 进行了 32 次采样取平均，取平均通过向低位移 5 位 实 现，提高了程序效率。 显示采用 LCD12864,先将每一个数据转换成字 符串，长整型数据的每一位通过先除法再求余来转 换 成 ACILL 5 马，然后通过 SPI 时序向其写入数据即

15、 可 显示。 2 . 2 . 2 功 率 因 数 的 PID12调节 在功率因数精确测量的情况下，通过对比设定的 功率因数就可得到误差，因为只需要调整后的功率因 数稳定，所以利用对误差的比例和微分运算实现 PD 调 节就可以满足系统对响应时间的要求和功率因数 的稳 定，相比开环控制能具有更强的适应性。其具体 实现 方式为将功率因数测量值和设定值的差值作为 误差， 通过计算得到误差的比例项和微分项之和，以 此作为 移相电路中数字电位器电阻变化量，并根据测 试选取 合适的比例参数和微分参数，这种调节方式的 精度只 与数字电位器调节精度和功率因数测量精度 相关，大 大降低电路非线性和参数变化的影响。

16、 2.2.3 DC4DC 降压电路的接入 在输入电压大于 25. 5V 的情况下， UCC28019A 所控制的 Boost 升压电路将超出 36 V 的输出电压， 所 以需要切入 DCDC 降压电路。程序里面每个大 循环 都对 UCC28019A 所 控 制 的 电 路 的 输 出 电 压 进 行 了 AD 采集，当输出电压大于 36. 1 V 时，此时程 序 里面通过控制继电器接入 DC45C 降压电路，同时 开启 MSP4 3 0 内 部 PWM 输出，控制 DC4DC 降压电 路中 的 M0S 管，根据末端输出的电压值， PD 调节 PWM 的 输出值。 性能测试 (1)输 入 保 持

17、 2 4 V，调节负载电阻，输出电流 /。 =2 A 时，输出电压为 t/。 =35.99 V。 (2) 根 据 输 入 输 出 功 率 计 算 得 电 路 效 率 为 91.4%。 (3) 由单相电参数测试仪读取电路功率因数 PF = 0.997。 (4) 负载调整率测试 :保持输入电压为 24 V，调 节负载电阻，记录输出电压如表 1 所示。 表 1 0.17 A2.00 A 输出电流下的输出电压 输出电流 忍 /A 2.00 1.51 1.09 0.49 0.21 0.17 输出电压 f/c/V 35.99 36.01 36.00 36.01 36.01 36.02 负载率 0.056%

18、。 (5) 电压调整率测试：调节负载使输出电流 /。 =2 A, 调 节 输 入 电 压 在 2 0 V 3 0 V 范 围 内 变 化，记录输出电压如表 2 所不。 316 电 子 器 件 第 3 8 卷 表 2 20 V30V 输入电压下的输出电压 输入电压 t/ s /V 20 22 24 26 28 30 输出电压 K/ V 36.00 35.99 36.01 36.00 35.99 36.01 电压 调整率 0.028%。 (6) 功率因数调整测试：设定不同功率因数， 定值、电参数测量仪测试结果如表 3 所示。 表 3 功率因数在 0.8 1.0 内调整的测试结果 参考文献： 1 曾

19、庆虹，杨时杰 .基于平均电流控制的有源功率因数校正技 术 D.郑州大学学报 ,2006,27(1) =72 -74. 2 吴晓凤 .基于电子设计竞赛的 MSP430 系统的研发 D. 西安：西安石油大学， 2011. B陶海燕，钱承山，毛鹏 .Boost PFC 变换器数字控制研宄 D. 电 子器件， 2013,36(6) =889 -893. 4 Lii Xinge Qin Huibin ， Wang Peiliang. Power Factor 设定值 0.8 0.85 0. 9 3 结 论 0.95 1. 0 Correction Controlledby DSP and its MAT

20、LAB SimulationC /IEEE Conference Publications ,2012:1 - 4. 5 罗萍，王曾 . CCM 下新型前置功率因数校正电路分析与设 (7) 计 过 D流 .电 保 子 护 科 测 技 试大 ：学 学调 报 节 ， 负 20载 12， ,41使 (4输 ) :出 61电1 -流61增5. 加 ， 当6增 T加 ex至 as 2.In5sAtru时 m，ent电 s. 路 U切CC断280保 19护 A 。 datasheet EB/OL . 2009 - 4 . http： /www. ti. com. cn/product/cn/ucc2801

21、9a. 7 罗佳明，戴庆元 .开关电源 PFC 控制芯片电路和应用分析 本 系 统 采 用 UCC28019A 芯 片 及 外 围 电 路 、 MSP430 组成单相 ACDC 变换电路系统，实现了功率 因数调节的数字化、智能化，根据上述性能测试的数 据，表明其电路性能达到了设计要求的各项指标，实 现了功率因数的校正和可调、稳压输出和过流保护的 功能。本电路由于是具有功率因数可调电路，因此，可 以作为模拟低功率因数电路使用。 UCC28019A 芯 片 常用于较高交流电压输入的电路，而本设计也验证 了 该芯片在较低交流输入电压下也能正常工作，所以 本 设计也可作为 UCC28019A 的应用实

22、例。 D 电子器件， 2007,30(4):1204 -1207. 8 Analog Devices. AD637 datasheet EB/OL. 2011 - 2 . http: / / www. analog, com/zh/ special - linear functions/rms to dc - converters/ ad637 /products/product. html#product - details. 9 Texas Instruments. ADS1248 datasheet EB/OL . 2011 - 10. http： /www. ti. com. cn/product/cn/ads1248. 10 张占松，蔡宣三 .开关电源的原理与设计 M.北京：电子工 业出版社， 2005. 11 张经爱，许凯华，刘玉华 .基于 MSP430 的模拟 SPI 串口通 信 的 实 现 D.计 算 机 工 程 与 设 计 ,2008,29 (5) =1169 -1171. 测量值 0.801 0.84 0.90 0.95 0.997 9 3 0