1、学校统一编号 HIT-A-003学校名称 哈尔滨工业大学队长姓名队员姓名指导教师姓名2013 年 9 月 7 日第 2 页 共 26 页摘 要本系统以 AVR ATmega16 单片机为控制核心，结合 MOSFET 驱动器IR2102，低导通电阻功率 MOSFET IRF3205 制作了一台具有自动稳压功能的AC-DC 变换装置，DC-DC 部分采用 Boost 拓扑结构，实现了 AC（2030 V）-DC（36 V）转换。负载调整率、电压调整率分别达到了 2.7%和 1.3%，较好地完成了基本要求。此外，给出了功率因数调整和校正的基本方法和结构框图。关键词：AC-DC；功率因数调整；Boos
2、t 电路第 3 页 共 26 页目 录一、 设计任务 51.1 基本要求 51.2 发挥部分 5二、方案论证与比较 62.1 AC-DC 整流电路的选择 62.2 DC-DC 主回路拓扑的选择 62.3 处理器的选择 62.4 反馈稳压方案选择 72.5 过流保护方案选择 72.6 功率因数测量方案选择 72.7 功率因数调整方案选择 72.8 系统框图 8三、理论分析与计算 93.1 提高效率的方法 93.2 功率因数调整方法 93.3 稳压控制方法 103.4 AC-DC 主回路与器件选择 113.5 DC-DC 主回路与器件选择 113.6 控制电路 123.7 辅助电源 123.8 电
3、压测控电路 133.9 软件与程序设计 13四、测试结果与误差分析 144.1 测试仪器 144.2 测试方案 144.3 测试数据 154.4 测试结果分析 16五、结论与心得体会 17第 4 页 共 26 页参考文献 17附录 1 总电路图 18附录 2 元器件清单 19附录 3 程序 19第 5 页 共 26 页单相 AC-DC 变换电路（A 题）【本科组】一、设计任务设计并制作如图 1 所示的单相 AC-DC 变换电路。输出直流电压稳定在 36 V，输出电流额定值为 2 A。图 1 单相 AC-DC 变换电路原理框图1.1 基本要求（1）在输入交流电压 Us=24V、输出直流电流 Io
4、=2A 条件下，使输出直流电压 Uo=36V0.1V。（2）当 Us=24V，I o 在 0.2A2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI 0.5%。（3）当 Io=2A，U s 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 2.5A0.2A。1.2 发挥部分（1）实现功率因数校正，在 Us=24V，I o=2A，U o=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，I o=
5、2A，U o=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。第 6 页 共 26 页（4）其他。二、方案论证与比较2.1 AC-DC 整流电路的选择（1）全桥整流。该电路由四个二极管以及 LC 滤波元件构成。变压器绕组结构简单，二极管电压低。但是二极管数量多，总通态损耗大。（2）半桥整流。该电路由两个二极管以及 LC 滤波元件构成。元件总数少，结构简单，总通态损耗小。但是二极管电压高，变压器绕组需要中心抽头。本题中变压器无中心抽头，只能选择方案（1） 。2.2 DC-DC
6、 主回路拓扑的选择（1）Buck-Boost 型电路。既能降压也能升压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动大，结构简单，只需要一只开关管。输出空载时，会产生很高的电压造成电路中元器件的损坏，故不能空载工作。（2）前级 Boost，后级 Buck。将升降压的功能分成两个模块，使用的元器件数量较多，损耗也相对较大。但是这种方案有利于 AC/DC 变换器功率因数的调整。（3）单级 Boost 电路。方案简单，驱动方便，效率较高。但是由于任务要求输入电压 为 AC 20 30V 范围内变化时，输出直流电压稳定在 36V，因此 使用单级 Boost 电路有可能不能满足要求。不过在重载条件下，整流后电压
7、下降较大，经实验验证效果较好。选择方案（3） 。2.3 处理器的选择（1）采用 STC 12C5A16S2 单片机。STC 12C5A16S2 单片机是台湾宏晶公司 2010 年推出的新一代抗干扰，高速，高可靠性，低功耗的微控制器，其编程语言完全兼容传统 8051 单片机。（2）采用 ATmega16 单片机。ATmega16 单片机是基于增强的 AVR RISC结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。片内具有 16K 可编程 Flash，8 路 10 位第 7 页 共 26 页ADC，四通道 PWM，功能强大，开 发 成 本 低 。在同样的晶振频率下，方案（2）有更高的性能和更低的功耗，因
8、此可以降低运行频率以减少对电路的电磁干扰。因此选用方案（2） 。2.4 反馈稳压方案选择使用单片机 ATmega16 实时检测输出电压，由于输出电压与 PWM 波的占空比成正比，若测得的电压高于 8 V，则减小占空比；反之，则增加占空比。设置一个阈值电压差 e，当前电压差小于 e 时不进行调节，从而避免反复调节造成电压波动。2.5 过流保护方案选择采用硬件实现过流保护。将一个动作电流为 2.5A 的自恢复保险丝串联在输出回路中。电流未达到动作电流时，其电阻很小，造成的功率损耗也较小；当电流过大时其电阻急剧上升，以减小电流，防止造成负载损坏。2.6 功率因数测量方案选择（1）以过零点相位比较法为
9、代表的直接测量法。其主要依靠硬件装置来实现计算，受硬件本身的影响较大，并且由于谐波和干扰的存在，过零点的准确度难以保证。其测量框图如图 2。（2）以谐波分析法为代表的软件检测分析方法。其根据谐波分析得到的 i和 u 的正弦波形参数，求得 ，继而求得 。这种方法有较好的抗干扰性和 cos稳定性，还可以同时计算电网中电流、电压及其各次谐波的值，从而为功率因数调节提供监控的依据。电 压 整 形 处 理整 形 处 理电 流占 空 比 确 定的 方 波占 空 比 确 定的 方 波 鉴 相 电 路 MCU图 2 功率因数测量方案第 8 页 共 26 页2.7 功率因数调整（PFC）方案选择（1）无源 PF
10、C 方案。采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波，以满足要求，其特点是简单，但体积庞大、笨重，而且调整后的功率因数只能达到 0.7 0.8 左右。（2）有源 PFC 方案。在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，具有体积小、重量轻的特点，可以达到较高的功率因数（通常可达0.98 以上） ，但成本也相对较高。具体实现方法有以下几种：a. 采用 DSP 和 Boost 电路实现：通过 DSP 编程控制完成系统的功率因数调整。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以及材料、装配的成本；但是软件编程困难，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
11、控制器和主电路的隔离和驱动。b. 如图 3，采用 UC3854 和 Boost 电路实现：UC3854 是一种平均电流型的升压型有源功率因数校正电路。使用专用 IC 芯片，无须编程，简单直接；但是电路的外围器件很多，调试困难。c. 采用 UC28019 和 Boost 电路实现：UCC28019 也是一种平均电流型的功率因数校正芯片。该芯片使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于 1%，实现了接近于 1 的功率因数，外围器件相对 b 较少。以上三种方案只有方案（2a）可实现发挥部分“ 能够根据设定自动调整功率因数”的要求，但是其算法在短时间内实现难度较大。变 压 器 整 流 电 路 Boost电 路
12、 电 阻 负 载PFC控 制 电 路UC385420-30V 36V图 3 功率因数调整方案框图2.8 系统框图由于时间仓促，系统仅实现了要求中的部分功能。上交作品的系统结构框图如图 4。第 9 页 共 26 页ATmega16显 示MCU内 部 的PWM控 制 器 DC-DCBoost 负载电压反馈AC-DC全 桥 整 流滤 波图 4 系统框图三、理论分析与计算3.1 提高效率的方法系统的损耗分为三部分：传输损耗、开关损耗及其他损耗。为了提高效率，可以采取如下措施：（1）降低开关频率。开关频率过高，开关管的损耗将会很大；开关频率过低，可能在运行中造成噪声干扰和输出电压纹波的增加。本设计中将开
13、关频率定为 31.25 kHz。（2）使用低导通电阻的开关管。本设计采用采用 N 沟道功率 MOSFET IRF3205 作为开关管（导通电阻 8 ） 。 （3）输入整流桥的损耗在低电压、大电流输出时，可占开关电源总功耗的10%以上。降低整流桥的功耗，可以选择导通压降较低的整流桥。（4）采用正向导通电压低、反向恢复时间极短的肖特基二极管。本设计中采用 MBR 745，典型正向导通电压为 0.57 V（电流 7.5 A，温度 125） 。（5）输出铝电解滤波电容器的等效串联电阻（ESR）应尽量低。3.2 功率因数调整（PFC）方法如图 5。UC3854 为电源提供有源功率因数校正，它能按正弦的电
14、网电压来牵制非正弦的电流变化，该器件能最佳的利用供电电流使电网电流失真减到最小，执行所有 PFC 的功能。第 10 页 共 26 页图 5 UC3854 的典型应用电路由于该芯片的外围电路比较复杂，本次设计中并没有调试成功。3.3 稳压控制方法根据电感电流连续工作模式（CCM）下 Boost 型电路输出电压、输入电压与占空比之间的公式=11可得其输出电压可以通过 PWM 控制信号的占空比 D 来调整。但如果电路工作在电感电流断续模式（DCM）下，则输出与输入的关系为=1+ 1+222上式中， 为负载电阻； 为开关周期。 而 Boost 型电路电感电流连续的临界条件是(1)22如想保证电路工作在
15、 CCM 模式，对负载电阻 R 应该有一定限制。此时若调节第 11 页 共 26 页单片机输出 PWM 波的占空比，就能调节输出电压，从而达到稳压的目的。具体地说，即单片机检测到输出电压大于 36+e V，则降低占空比；单片机检测到输出电压小于 36-e V，则提高占空比（e 为设定的输出电压误差阈值） 。若电路工作在 DCM 模式，在 、 、 不变的前提下，输出电压 仍与占 空比 成正比，故上述调节方法仍可用。3.4 AC-DC 主回路与器件选择电路图如图 6。整流桥选择耐压 1000 V，最大电流 10 A 的整流桥。根据公式可计算整流后滤波电容，LRT5入3(C)PU2d上式中，P 为后
16、级电路的输入功率；U d 为电容上的平均电压。单相全桥电路，T 取 0.01 s，则F576034725013(C.)为提高滤波效果，取两个 100V，4700F 的电解电容和一个 100V，2200F 的电解电容并联。3.5 DC-DC 主回路与器件选择如图 6。采用 Boost 型拓扑结构。主电路采用 N 沟道功率 MOSFET IRF3205作为开关管（导通电阻 8 ） ；采用高速功率 MOSFET 和 IGBT 驱动器 IR2102作为 PWM 驱动芯片（驱动能力强，开启上升时间 100 ns，关断下降时间 50 ns） ；采用肖特基二极管 MBR745 作为续流二极管（反向耐压 45
17、V，最大电流 3 A） ，能很好地满足题目的要求。第 12 页 共 26 页0.1uFC234QIR56HLDN8MU7GVcOBSPW入T9A图 6 AC-DC-DC 主回路电路图3.6 控制电路如图 7，单片机模块由微控制器 ATmega16 最小系统和外部设备构成，实现对电压采样信号的处理以及稳压功能。其中单片机的定时器产生占空比可调的PWM 波形，输出给主电路驱动功率 MOSFET 完成对 DC-DC 变换器的控制；电压采样信号经单片机内部 10 位 ADC 转换成数字信号，与人工设定的电压比对，从而进行相应的计算和调整。ATmega16单 片 机LCD键 盘ADC 定 时 器采 样
18、电 压 PWM图 7 单片机模块结构框图3.7 辅助电源如图 8，由于输入电压为 AC 2030 V，不能满足测控电路和单片机供电的需要，故需要外加辅助电源。购买一块成品开关电源将 AC 220 V 转换成 DC 15 V 为运放和驱动芯片提供电源，之后外加一个自制的辅助电源模块（ DC 15 V-DC 5 V）给单片机供电。自制模块采用降压型开关稳压电源控制器 LM2576，该芯片具有多种固定电压输出型号和可调电压输出型号，内置固定频率为 52 第 13 页 共 26 页kHz 的振荡器，电压转换效率高（可达 77%到 88%） ，输出电压的误差范围小（最大 4%） ，负载驱动能力大（最大
19、3 A） 。本设计中选用 LM2576-12 为集成运放和 PWM 驱动芯片供电，选用 LM2576-5 为单片机供电。 LM2576 外围电路的元器件取值参考该芯片的数据手册。 GNDon/f5i1OUT2FB4LM76-V0uCapPlHedr图 8 辅助电源电路图3.8 电压测控电路如图 9。电压测控采用 100k和 10k的电阻分压，输出电压理论上是 03.27 V，可以送入单片机的 ADC 进行采样。在电压采样电路的前端串接一个电压跟随器，保证阻抗匹配，减小单片机电路对主回路的影响，提高采样精度。 I+入KR.图 9 电压测控电路图3.9 软件与程序设计总流程图如图 10，具体的程序
20、见附录 3。第 14 页 共 26 页开 始系 统 初 始 化读 电 压 值输 出 电 压 大 于 36V？增 加 PWM波 占 空 比电 压 显 示YN 减 少 PWM波 占 空 比图 10 程序总流程图四、测试结果与误差分析4.1 测试仪器RIGOL DM3051 数字多用表RIGOL DS1102E 双通道数字示波器SUING SS3225 可跟踪直流稳定电源4.2 测试方案测试框图如图 11，按照题目要求对被测量进行测量并记录结果。第 15 页 共 26 页A C - D C变 换 电 路变 压 器RL+US-+UO2 2 0 VIOISAAV V图 11 测试框图4.3 测试数据（1
21、）输出稳压测试保持其他条件不变，在输入交流电压 、输出直流电流 条件=24 =2 下，测量直流输出电压 。测试三次，如表 1 所示。表 1 输出稳压测试数据序号 直流输出电压 /V 1 35.842 35.903 35.87（2）负载调整率测试保持其他条件不变，使 ， 在 0.2 A2.0 A 范围内调节，测量直流=24 输出电压 ，如表 2 所示。表 2 负载调整率测试数据序号 直流输出电流 /A 直流输出电压 /V 1 0.2 36.782 0.5 36.503 1.0 36.154 1.5 36.045 2.0 35.80（3）电压调整率测试保持其他条件不变，当 ， 在 20 V30 V
22、 范围内调节，测量测量直=2 流输出电压 ，如表 3 所示。表 3 电压调整率测试数据第 16 页 共 26 页序号 交流输入电压 /V 直流输出电压 /V 1 20 35.322 25 36.023 30 35.80（4）过流保护功能测试（见表 4）表 4 过流保护功能测试数据序号 动作电流 /A 1 2.522 2.603 2.58（5）AC-DC 变换电路效率测试（见表 5）表 5 AC-DC 变换电路效率测试数据/V /A /W /V /A /VA35.92 1.998 71.77 24.10 3.62 87.244.4 测试结果分析（1）输出稳压测试结果分析在测试条件下，直流输出电压
23、 在三次测量中均保持在 36 V0.2V 内。基 本满足要求（1） 。（2）负载调整率测试结果分析在测试条件下，根据负载调整率的计算公式，可以得到=|211|100%=0.9835.8100%=2.7%（3）电压调整率测试结果分析在测试条件下，根据电压调整率的计算公式，可以得到=|2136 |100%=0.4836100%=1.3%（4）过流保护功能测试结果分析在测试条件下，系统具有过流保护功能，且三次测试的动作电流满足基本第 17 页 共 26 页要求（5） 。（6）AC-DC 变换电路效率测试结果分析在测试条件下，AC-DC 变换电路效率可以由下式计算=100%=71.7787.24100
24、%=82.3%五、结论与心得体会本系统以 AVR ATmega16 单片机为控制核心，结合 MOS 管驱动器IR2102，低导通电阻功率 MOSFET IRF3205 制作了一台具有自动稳压功能的AC-DC 变换装置，较好地完成了基本要求。硬件方面，测试时发现系统工作时电感的发热量较高，可能是由于电感为手工绕制，缺少绕线工具造成电感线圈有较大损耗；同时如果使用了 UC3854 将会提高系统的功率因数至接近 1。软件方面，若能采用 PID 控制理论可以进一步提高控制效率，减小过渡时间。四天三夜的电子设计竞赛告一段落。虽然我们的作品并不完善，还有很多可以提高的空间，但是在竞赛的参与过程中得到的知识
25、和经验会让我们受益良多。参 考 文 献1 全国大学生电子设计竞赛组委会.2011 年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M.北京：北京理工大学出版社，20122 裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用M.北京：机械工业出版社，20103 美Ron Lenk 著.王正仕，等译.实用开关电源设计M.北京：人民邮电出版社，20064 林云，管春 .电力电子技术M.北京：人民邮电出版社，20125 马洪涛等 .开关电源制作与调试M.北京：中国电力出版社，20106 周志敏，纪爱华.开关电源功率因数校正电路设计与应用实例M.北京：化学工业出版社，20127 张华宇等.AVR 单片机基础与实例进阶M
26、.北京：清华大学出版社，第 18 页 共 26 页20128 老杨，李鹏举.AVR 单片机工程师是怎样炼成的M.北京：电子工业出版社，20129 沙占友，孟志永 . 提高开关电源效率的方法J. 电源技术应用，2012.310 王浩，刘凤新.高精度电网功率因数测量加权插值 FFT 优化算法J.计量技术.2008.611 ATMEL.ATmega16 数据手册Z.2003附录 1 总电路图第 19 页 共 26 页0.1uFC234QIR56HLDN8MU7GVcOBSPW入T9Aon/fi-apledr+K附录 2 元器件清单Name Description Designator Quantit
27、y ValueIR2102 U1 1Inductor Inductor L1 1 400uHBridge1 Full Wave Diode Bridge D1 11N4148 High Conductance Fast Diode D2 1IRF3205 N-Channel MOSFET Q1 1Cap Pol Polarized Capacitor C3, C4 2 10uFCap Capacitor C1, C2 2 0.1uF第 20 页 共 26 页MBR745 Default Diode D3 1Cap Pol Polarized Capacitor C7,C8,C9 3 4700u
28、FCap Pol Polarized Capacitor C5,C6 2 2200uFCap Capacitor C10 1 0.1uFRes2 Resistor R6, R7 2 10K, 100KLM358 U2 1Cap Pol1 Polarized Capacitor C11 1 100uFCap Pol1 Polarized Capacitor C12 1 1000uFMBR745 Schottky Diode D3 1Inductor Inductor L2 1LM2576-5V U3 1LCD1602 Liquid Crystal Display 1Atmega16 Min Sy
29、stem Including 8M crystal 1附录 3 程序/*/* Name: 电子设计电源题 功能：稳压，电路保护功能 */ /* Designed by : 胡车，蒋睿，张佩小组 Date:2013/9/5 21:09 */* 开发环境: ICCAVR */* PD0 确定键， PD1 增加键，PD2 菜单键，PD7 减小键，PD5 输出 PWM 波，PD6 接继电器 */* PA0PA2 液晶控制，PB 口液晶数据口，PA5 采样电压输入，PA6 采样电流输入 */*/#include #include #include “1602.h“#define uchar unsign
30、ed char#define uint unsigned int#define Get_Bit(val, bitn) (val delay_flag+;break;default:if(temp1intvol_exp)OCR1AL=OCR1AL-1;delay_ms(1);ad_get();if(OCR1ALvol_exp)delay_ms(30);if(temp1intvol_exp)err_flag=0;err_sol();PORTD/打开继电器if(temp2int(num1*100+num2*10)err_sol(); void err_sol()uchar cont3=“Safe M
31、ode “;uchar cont4=“Caution: “;uchar cont5=“Voltage 36V “;switch (err_flag)case 0:第 25 页 共 26 页PORTD|=(1PD6);/关闭继电器LcdInit();WriteChar(1,0,14,cont4);WriteChar(2,0,14,cont5);OCR1AL =2;/初始化 A 占空比 80%delay_flag=0; flag=0;while(!flag);/等待菜单按键按下delay_ms(50);break;case 1:PORTD|=(1PD6);/关闭继电器 LcdInit();Writ
32、eChar(1,0,14,cont3); / OCR1AL = 0x51;/初始化 A 占空比 80%delay_flag=0; flag=0;while(!flag);/等待菜单按键按下delay_ms(50);break;default:break; /*ad 读取 */void ad_get()/uchar ASCII=“0123456789“;uchar i;uchar t;uchar r;addata=AD_GetData(0x45); /获得通道 5 数字量for(i=0;i9;i+)addata=addata+AD_GetData(0x45);temp1float=addata*
33、0.0048828125;temp1float=temp1float/9.08; temp1int=(uint)(temp1float*100)+1);temp18=ASCIItemp1int/100;temp19=ASCII(temp1int%100)/10;temp111=ASCIItemp1int%10; while(!flag);WriteChar(1,0,17,temp1);addata=AD_GetData(0x46); /获得通道 6 的数字量for(i=0;i9;i+)addata=addata+AD_GetData(0x46);temp2float=addata*0.0048
34、828125;temp2float=temp2float/21.0;temp2int=(uint)(temp2float*100);temp28=ASCIItemp2int/100;temp210=ASCII(temp2int%100)/10;temp211=ASCIItemp2int%10; while(!flag); WriteChar(2,0,17,temp2);r+;第 26 页 共 26 页if(r=30)/LcdInit();/*addata=AD_GetData(0x47); /获得通道 7 的数字量for(i=0;i9;i+)addata=addata+AD_GetData(0
35、x47);temp3float=addata*0.0048828125;temp3float=temp3float/21.0;temp3int=(uint)(temp3float*100);temp32=ASCIItemp3int/100;temp34=ASCII(temp3int%100)/10;temp35=ASCIItemp3int%10; while(!flag); WriteChar(2,8,7,temp3);*/WriteChar(2,0,?,temp3);/显示占空比delay_ms(1);/*主函数*/void main(void)SREG|=0x80;DDRA=0xff;PORTA=0xff;init_devices();LcdInit();while(1) sys_comp();
