1、 高功率因数电源设计刘立坤 喻腾 李秀梅0083001、0083003、008303608 电子信息工程 2011 年 7 月目录摘要 31.设计任务与要求 41.1 设计任务 41.2 技术指标 4 1.3 题目评价 42.方案比较与论证 52.1 各种方案比较与选择 52.2 方案论证 63.系统硬件设计 63.1 系统总体设计与计算 63.2 单元电路设计与参数计算 93.3 单元电路的具体实现 .104.系统软件设计 .125. 系统组装 135.1 整体结构图及工艺说明 135.2 面板图及可调部件说明 146. 系统调试 146.1 电路的测试方案 .146.2 测试仪器 .156
2、.3 测试结果 .157.系统存在的不足和改进方向 .16参考文献 .17致谢 .18附录 1 总电路原理图 19附录 2 印制电路板图 19附录 3 程序清单 20附录 4 元器件清单 213摘要:本系统以 UCC28019 为控制核心， 实现有源功率因数校正，在控制方法上采用了平均电流控制策略，通过对 BOOST 主电路拓扑结构的升压电路的输入电流进行控制，使其达到与输入电压同频且相位差为 0，功率因数接近于 1，从而实现输出电压稳定在 36V，最大输出电流为 2A 的高功率因数电源。采用UCC28019 作为控制器，提高了电源的功率因数，具有良好的电压调整率和负载调整率，输入电流波形失真
3、度小。此外，本系统采用 51 单片机为检测控制核心，对整个系统进行监测，可测量输出电压、输出电流、功率因数以及可实现输出电压自动设置等功能。关键词：UCC28019 PFC BOOST 电路 Abstract:This system use UCC28019 as its control core, and realize the active of power factor correction. In control method, it used the average current control strategy. By controlling the input current
4、of the BOOST circuit with topological structure in BOOST Main circuit,it has the same frequency as input voltage and the difference in phase is 0.The power factor is close to 1.This power supply with high power factor realize the output voltage is stable at 36 V, the maximum output current is 2 A .
5、The UCC28019 as a controller can improve the power supplys power factor, has good voltage adjustment rate and load regulation, the distortions in input current waveform is small. In addition, the system use 51 SCM as the core detection control which has the functions as measuring the output voltage
6、, output current, power factor and realizing the output voltage automatically set etc. Key Word: UCC28019, PFC, BOOST Circuit 41、设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源，要求输出直流电压 UO为36V，最大负载电流为 2A，负载为电阻性负载，其电路原理框图如图 1 所示。I2UI=220VACU2=18VAC隔 离变压器整流电路PFC 控制电路IoUO RL图 1 高功率因数整流电源示意图1.2 技术指标（1）当电压 U2
7、为(1519)V，负载电流 IO为(0.5 2)A 时，要求输出电压 UO 稳定在36V，其误差的绝对值小于 5% 。（2）变压器副边电流 I2的波形应为正弦波，失真度小于 5% 。（3）电路功率因数大于 0.95（在变压器副边测量） 。（4）输出电路具有过流保护功能(输出电流 IO 达 2.5A 时自动保护)。（5）当 U2 电压为 18V，负载电流为(0.52)A 时，能对输出电压 UO在(30 36)V 范围内设定，其测量误差的绝对值小于 2% 。 （6）设计制作功率因数测量电路，其测量误差的绝对值小于 2% 。发挥部分（1） 设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路，其测量误差绝对值小
8、于 2%。（2） 其他。1.3 题目评价该题的特色是：在内容上，理论设计和实际制作的综合性较强，涉及多个知识面，对知识的联系、整合、应用的要求较高。我们认为该题目难度为中偏上，设计电路及实物制作上具有一定的挑战性，能很好地锻炼我们针对实际问题进行电子设计制作的能力，培养我们的创新意识和团队协作的人文精神，能全面检验和加强我们的理论基础和实践能力。52、方案比较与论证 2.1 各种方案比较与选择本题的任务是设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源，为了实现题目的要求，设计出一高功率因数电源，故本题的关键在于功率因数校正。由电路的功率因数 ，其中 为输入电压和输入电流的相位差， 为输
9、入电流失真系数，cosPF 可知，要想提高电路的功率因数，要从以下两个方面考虑：使输入电流与输入电压尽可能同相位。使输入电流尽可能趋近于正弦波形。一般功率因数校正的控制方法有模拟控制方法和数字控制方法，按有源无源又可分为两种 :无源 PFC（也称为被动式 PFC） 、 有源 PFC（也称为主动式 PFC） 。 而有源功率因数校正按照输入电流的控制有以下几种方法：平均电流型、滞后电流型 、 峰值电流型 、电压控制型 。为此我们设想了以下几种控制方案：方案一：采用 DSP+BOOST 实现该方案的控制方法为数字控制，即采用 DSP 通过编程控制完成系统的功率因数校正，DSP 时刻检测输入电压、输入
10、电流以及输出电压的值，在程序中经过一定的算法后输出PWM 控制信号，经过隔离和驱动控制开关管，从而提高输入端的功率因数。方案二：采用 BOOST+UC3854 实现。该方案的控制方法为模拟控制方法。UC3854是一种工作于平均电流的的升压型有源功率因数校正电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流。是目前较为广泛使用的APFC电路。 该方案所实现的PFC 电路,要调节UC3854的电压放大器，电流放大器和乘法器。方案三：采用 BOOST+UCC28019 实现该方案的控制方法与方案二相同都是模拟控制方法。UCC28019 是 TI 公司新近推出的一种功率因数校正芯片，该芯片采用平均电流模式对功率因
11、数进行校正，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。UCC28019 组成的 PFC 电路,只调节一个放大器的补偿网络即可。首先，我们经过分析得出采用数字控制方法的优点是通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量，减少材料和装配的成本，而且可减小干扰。缺点是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。而采用模拟控制方法的优点是，使用专用 IC 芯片，简单直接，无需软件编程。缺点是电路调试麻烦，易受噪声干扰。然后，我们考虑到本组人员的知识和能力的有限，采用数字控制来实现很困难，且模拟 PFC 控
12、制是当前的工业选择，技术成熟，成本低，使用方便。所以我们排除了对方案一的选用。最后，比较方案二和方案三，可以发现方案三的设计步骤减少了好几步，相对来说简单易行，而且实验结果证明该方案完全达到题目的要求。综上所述，选用方案三。2.2 方案证论综合上述，结合题目的要求和我们自身的技术特点,定下以下最终实施方案: 在本系统中采用了 TI 公司的 UCC28019 作为有源功率因数校正的控制器，实现有源功率因数校正，在控制方法上采用了平均电流控制策略。UCC28019 为持续传导模式的 PFC 控制器，能满足平均电流控制策略的要求。系统控制原理框图如图 2 所示。6图 2 UCC28019 控制系统框
13、图ucc28019 是一款 8 引脚的开关模式控制器，能以极小的谐波失真获得接近单位功率因数的水平，非常适用于低成本的 PFC 应用。该器件具有宽泛的通用输入范围，适用于100W 至 2kW 以上的功率因数变换器。Ucc28019 主要应用于 Boost 拓扑结构的功率因数校正，以固定的开关频率工作于连续导通模式（CCM） ，简单的外围电路网络便可对电压环和电流环进行灵活的补偿设计。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，软启动等功能。由此可见，采用方案三能够达到完成题目的设计任务的目的，选择 UCC28019
14、 从性能和指标上考虑，这也是最理想的。经过分析后，我们得出结论：总体上，方案三设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源是可行的。3. 系统硬件设计 3.1 系 统 的 总 体 设 计 与 系 统 的 计 算3.1.1 总 体 设 计根据设计要求中的整体示意图，可确定系统主要构造为：主电路，控制电路，测量电路和保护电路四部分。其总体结构框图如图3所示，从输入的交流电220V 开始，经过隔离变压器调压成交流电18V后送入全桥整流电路进行整流，再经过高频滤波电容后送给主电路，主电路为Boost 电路，由PFC 芯片ucc28019 控制开关管导通关断，经过Boost电路升压后电压变为3
15、6V。控制电路和测量电路包括PFC控制电路和单片机测量控制电路，PFC控制电路由专用PFC芯片组成，单片机测量控制电路主要是输出侧通过电阻分压并用AD 进行采集送至单片机进行电压测量显示，同样通过采集采样电阻电压进行电流测量显示。保护电路由PFC芯片的过压和过流保护，以及AD检测输出电流的大小，过流则关断单片机控制继电器。220V 自耦变压器18VUCC2801936V交流输入整流电路BOOST电路电阻负载PFC 控制电路 7图 3 系 统 总 体 框 图 本系统在假设变压器副边电压 为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为： 2U11221coscosIUIPF式中： 、 分别为变压器副边的
16、电压、电流有效值， 为 中的基21I波分量， 为 和 之间的相位差。考虑到本题得特点，为计算简单，可121I以用 、 之间的相位差 的余弦 作为功率因数。2UIcos3.1.2 参数计算及器件的选择本系统选择了220V-18V，功率为50W的自耦变压器，金属封装的整流桥KBPC2510。继电器选择SWDIP-3用于过流时保护用的动作开关,开关管选用场效应管IRFP460,以及续流二极管、输入电感、输入滤波电容、输出电容的选择在下面分别进行计算分析。a.开关管的选择本设计最大输出电压为36V，开关管实际最大漏源电流为6.588A，但是考虑到到实际电压电流尖峰和冲击，电压和电流余量分别取为2.5和
17、2倍。故开关管的最大正向耐压值大于90V，通过的正向电流大于13.18A。基于上述要求，我们选用IRFP460.，其 ，VDS50， ，完全能满足题目的要求。7.0DSRAID4.188b. 续流二极管的选择由于采用 BOOST 拓扑结构，通过续流二极管的最大电流为 2.5A，承受反向的最大电压值为 36V，为此选用 MUR3060，其允许通过的最大正向电流为 30A，反向耐压典型值为400V，完全满足题目的要求。c.输入电感参数的计算根据能量守恒定律 ，可知oini IUPFIU输入电流的有效值 ARMSi 58.69.02153_输入电流的峰值 IIRSinpeakin 31.9_输入纹波
18、电流 rileril 310(max)纹波电压 其中 0.06 为电压纹波系数VUVinriple 527.86.2.通过电感的峰值电流 AIIIriplepeakinpeakL 2.1086.3.9(mx)_(mx)_ 感值 HfIDLripleo 075.86.15031(为了留取一定的裕量，故选择感值 1mH，允许通过电流最大值为 10A 左右的电感。d. 输入滤波电容参数的计算输入滤波电容的作用是滤除高频成分。uFfVICriplein 34.257.10683e. 输出电容参数的计算该电容的选择主要是满足输出电压保持时间；当要求在保持时间内，开关电源输出电压不低于 30V 时，则输出
19、滤波电容容量按下式计(min)/1LINEHOLDUPft算：uFmsWVtPCHOLDUPTOUT 967330628.192(min)_ 实际我们选择的滤波电容为：9400uF。f. 整流桥的选择通过整流桥中每个二极管的电流 反向承受电压为AIripleL1.52.0我们选择金属封装的整流桥 KBPC2510 ，其正向VUinRM7.26192电流最大为 15，反向耐压值为 1200，完全满足要求。93.2 单 元 电 路 的 设 计 与 参 数 计 算3.2.1 功率因素测量电路采用 LM311 滞回比较器、对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，通过由 74LS74
20、 构成的鉴相电路、得到输入电压、输入电流的相位差，然后通过单片机测量并显示功率因数值。根据理论计算和实际测量结果，确定 LM311 的阈值电压为 15mV。图 4 相位测量原理框图3.2.2 电压和电流测量电路电压测量电路的设计为了进行输出电压的测量，我们将输出电压经过电阻分压到合适的值，然后经过电压跟随和 AD 的采集。测量的精度在于所选用 AD 的精度，为此选用高精度的 AD 转换器ADS1286 。电流测量电路的设计由于电流取样电阻不可能很大，实际我们选择 0.1 的康铜丝作为采样电阻，即使输出电流为 2.5A 的时候，输出电压也只有 0.25V，为了提高测量精度，我们先将康铜丝两端的电
21、压进行仪表放大和适当的滤波，然后进行电压跟随和 AD 采集，这里我们也选用 12位分辨率的 AD 转换器 ADS1286。图 5 输出电压电流测量原理框图103.2.3.过流保护及显示电路通过改变UCC28019芯片6脚Vsen处的反馈电压，可以精确调整到设定电压，然后通过LCD1602液晶显示设定电压值、输出电压电流值、功率因数测量值、信号频率值。我们采用DADAC8811、精密基准源REF5040和加法器电路来控制输出电压在30V36V之间的设定。AD检测输出电流的大小，一旦过流，就将单片机控制继电器关断。3.3 单 元 电 路 的 具 体 实 现3.3.1主 电 源 电 路图6 主电源电
22、路3.3.2PFC 控制电路图 7 PFC 控制电路3.3.3 功率因素测量电路11图 8 相位测量电路3.3.4 电压和电流测量电路图 9 输出电压电流测量电路 3.3.5 过流保护及显示电路1212345678910111213141516JP4LCD1602P1_0 RSP1_1 RWP1_2 EVCCLCD_CONTP2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_73121K80501N4148200+15P0.18050680LOOP1 LOOP2LCD1602保保保保保 保保保保保保保保12345678910111213141516JP4LCD1602P1_0 RSP
23、1_1 RWP1_2 EVCCLCD_CONTP2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_73121K80501N4148200+15P0.18050680LOOP1 LOOP2LCD1602保保保保保 保保保保保保保保图 10 显示电路 图 11 过流保护电路总 电 路 原 理 图 见 附 录 1。 4 系 统 软 件 设 计我们所选择的单片机是 TI 公司 51 系列单片机 80C51,此单片机功能全面,具有很强的通用性,简单易用,可操作性极强.虽说它的速度比不上现在最新的一些单片机,但是对于我们现在所设计的系统,80C51 单片机已经能够胜任了.单片机所要处理的工作主要
24、分为两个部分.其一:基本工作。包括 LCD 显示,键盘扫瞄等；其二:核心处理工作。ADS1286 将值采进单片机以后,单片机必须根据所采进来的值,分析判断，将其转化为最终的模拟量送到液晶显示，显示功率因素等相关参数的值。这个部分的工作是软件上的难点。其中的处理方法有很多。但我们所要做的就是在充分理解的基础之上,找出一条最优化的路子。首先，画出系统主要程序流程图如图 12 所示。程序清单见附录 3。13图 12 主要程序流程图 5系统的组装PCB板图见附录2。5.1 整机结构图及工艺说明开 始系 统 初 始 化液 晶 初 始 化输 出 电 压 电 流测 量 功 率 因 数 测 量 输 出 电 压
25、 设 定过 流 保 护是 否 过 流 ?是 否 有 键 按 下 ?判 断 键 码 是 否是 否 显 示14主电路（未覆铜）测量电路（未覆铜）5.3 面板图及可调部件说明6系统调试 6.1 电路的测试方法（）负载调整率的测试方法：在输入电压调为 18V，输出电压设置为 36V 的条件下，调节负载电阻使输出电流为.6和 1.8，测量输出电压，分别记为 U1 和 U2，则负载调15整率（U2U1）U2100%，即为负载调整率。 （）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 1.2A。调节调压器，使整流电路输入电压分别为 15V 和 19V，测量这两种情况下输出电压
26、，分别记为 U3 和 U4，则电压调整率S1（U4U3）100%，即为电压调整率。 （）电压电流测量与显示测试方法：调节负载电阻，在系统输出电压稳定时，通过键盘设定输出电压，记录仪器测试的输出电压电流以及液晶显示值。 （）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。(5)输出电压的设定)360cos(0oDPF的测试方法：通过设定 UCC28019 芯片 6 脚处的反馈，可以精确调整到设定电压。(6)电流保护测试方法：调节负载大小，使输出电流达到 2.5A 时，通过单片
27、机采样电流信号大小控制继电器过流保护。6.2 测试仪器 测试仪器名称 型号 数量双踪示波器 TDS1002 1高精度万用表 VICTOR 8155 16.3 测试结果电压调整率测试（采用万用表测试）输入电压从 15V 变到 19V，输出电压的测试数据如表 1：表 1 电压调整率测试数据 二次侧电压/V 15 16 17 18 19输出电压/V由上述数据知，电压调整率=负载调整率测试（采用万用表测试）从大到小改变负载电阻，保证输出电流 Io=2A 以内的条件下记录输出电压 Uo 和输出电流 Io。记录数据如表 2：表 2 负载调整率测试数据输出电流/A 0.6 0.9 1.8输出电压/V由以上数
28、据知，负载调整率=（3）电压电流测量与显示测试（采用万用表测试及本系统测试电路）记录仪器测试的输出电压电流以及液晶显示值记录数据如表 3 和表 4。表 3 输出电压测试数据 表 4 输出电流测试数据 测量次数设定电压 输出电压值测量电压值 误差1 36.002 35.003 30.00测量次数 设定电压输出电流值测量电流值 误差1 36.002 35.003 30.0016（4）功率因数测试（采用示波器及本系统测试电路）波形的占空比测试数据如表 5。表 5 功率因数测量数据说明：I 为输出电流值，D 为示波器的测试的占空比， ，PF1 为液)360cos(0oDPF晶显示的功率因数。（5） 输
29、出电压设定测试（采用万用表测试）表6 输出电压设定测试输出电压设定测试表（ =2A）Io设定值 （V）Uo30 31 32 33 34 35 36测量值 （V）误差（）测试结果分析：本次测试，比较困难的就是在输入电压信号和输入电流信号的采样与共地问题上，输入电流取样电阻采用温度系数较好的康铜丝，若康铜丝过大，则会导致系统的效率降低，间接导致输出电流达不到额定值。在利用 LM311 滞回比较器时候发现，对于小信号一定要在 LM311 输出端口接较大阻值的上拉电阻，这样信号处理后波形比较稳定，便于功率因数的测量。7系统电路存在的不足和改进的方向本次设计是基于 UCC29019 的 PFC 高功率因
30、数电源，在某些指标上有不足之处。产生误差的可能原因有：（）系统的电磁干扰，有源功率因数校正工作在 65KHZ，开关管工作频率高，开关的工作过程会引起电路的电磁干扰，特别是在通用板上布局布线。 （）器件本身的精度存在误差。(3)整流后失真电压波形引起纹波误差，交流电经桥式整流后并不能得到很平滑的波形，而 UCC28019 内部工作原理是:电流调节为平均电流采样模式,跟踪电压波形的电流波形经滤波放大后与三角波比较,所以整流后失真电压波形引起纹波误差，这个误差将导致输出 PWM 波误差。 。 （4) 功率因数不可能校正为 1，电流毛刺很严重，电感电流上不去。针对上述问题，可以提出以下几个改进的方法：
31、（）制作 PCB 板代替通用板，在布线时考虑电磁屏蔽。 （）采用性能更加优良的器件，增加系统的散热系统，以寻求提高系统的整体指标。 （3）芯片在设计上能将整流后失真电压波形引起纹波误差考虑在内，达到更佳的设计效果。I/A D PF0 PF1 误差0.51.01.52.017参考文献1汪经伟,林福泳.一种新型高功率因数直流电源.通信电源技术 ,2009,(26)2钟海峰,王剑斌,张文嘉.基于 ucc28019 的高功率因数电源设计 .电脑知识与 技术,2009,(05)3吴小斐,王归新,陶鑫,莫显聪.基于有源功率因数校正的高功率因数电源设计 . 电源技术,2010,(02）4左学杰，钟炎平，陈耀
32、军.基于 UCC28019 的高功率因数电源设计.电源技术应用,2009,(12)18致谢感谢指导老师朱华贵和张勇一直以来对本设计的关注和指导，从本电子设计的选题、查阅资料、整体构思直至硬件与软件方面的实现导师给了很大的指导。同时，感谢指导老师给我们提供这个锻炼的平台和相互学习的环境，使得我们在针对实际问题进行电子设计制作的能力上有了实质性的提高。虽然此次设计的结果不是很理想，跟导师相处的时间短暂，但是在这个过程中我们仍然受益匪浅。在此，谨向辛勤培养我们的导师致以深深的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我们的良师益友。19附录附录1 总电路原理图 附录2 印制电路板图主电路20测量电路附录3 元器件清单 芯片： 74LS74 2LM311 4ADOP07AH 6UCC28019 1INA122 1OPA277 2ADS1286 2REF5040 1220V-18V，功率为 50W 的自耦变压器全金属封装整流桥 KBPC2510转换开关 SWDIP-3场效应管 IRFP460二极管 MUR3060电感 330uH
