單相電AC-DC轉換電路的設計

曲阜師范大學計算機科學學院 明利濤

1.整體方案設計

本方案通過有源功率因數校正技術與BOOST電路共同構成AC-DC轉換電路，通過反饋信號使UCC28019芯片在GATE端生成一定占空比的方波，從而驅動大容量MOSFET的柵極改變其導通率，進而完成輸出電壓的穩定。同時采用A/D進行負載端采樣并將采樣結果送入單片機，當檢測到負載兩端電流超過2.5A，單片機就會相應地輸出觸發信號控制繼電器的開關，使其斷開主電路線路達到過流保護作用。

系統有四個模塊電路構成：變壓模塊，整流濾波模塊，DC-DC轉換模塊，PFC校正和顯示模塊。其結構框圖如圖1所示：

圖1 系統組成框圖

2.組成模塊方案

本設計中核心是采用PFC功率因數校正技術，因此主要對PFC控制方案的選取進行論證。

2.1 DC-DC變換方案

采用帶PFC的Boost型DC-DC升壓器。該電路有專用的控制芯片，容易實現，電路結構簡單，同時采用PFC功率因數校正技術，功耗低，輸出電壓范圍寬。輸出電壓波形中毛刺也比方案一要小。

2.2 功率因數校正控制方案

本設計中引用PFC功率因數校正技術主要目的：一是通過調節UCC28019芯片中的電流誤差放大器的輸入來功率因數；二是通過監測電路，根據監測結果運用控制電路來調節PFC控制芯片UCC28019的電壓誤差放大器大小，從而穩定輸出電壓。

采用BOOST+UCC28019實現。UCC28019是一種采用平均電流模式對功率因數進行校正的芯片，該芯片使輸入電流的跟蹤誤差產生的畸變小于1%，實現了接近于l的功率因數。該方案步驟少，外圍電路簡單，調試方便，只需調節放大器的補償網絡且方案已經相當成熟。

2.3 顯示器模塊

使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字數字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。采用1602液晶顯示器，可根據需要同時顯示功率因數與采樣電流、電壓。

3.理論分析與計算

3.1 提高效率方法

在電源設計中由于開關損耗和器件導通損耗及其他損耗，使得電源電路的高效率要求一直很難達到。當效率達到一定效果時，再提高其效率就比較難了。常用的移相零電壓開關，同步整流的方法在提高效率上雖然有所提高，但付出了很大的代價。在效率方面，由于非穩壓的高于穩壓的、非隔離的高于隔離的、窄電壓范圍的高于寬電壓的，因此解決提高效率問題上可以用方案：PFC+非穩壓半橋變換器+肖特基整流二極管。

PFC可以起到穩壓，與后級電路隔離的作用；非穩壓半橋變換器通過變換導通兩個開關管來實現零電壓開關，使開關管的損耗幾乎僅為導通損耗，從而大大降低損耗提高了效率。

3.2 功率因數調整方法

本系統的功率因數調整采用專門的PFC芯片，通過取樣電阻的負極性電壓信號經反向器后與斜坡信號發生器進行比較，經SR觸發器在與內部65K振蕩器一起控制PWM的占空比，從而控制功率開關器件通斷。ICOMP的電壓迫使電感電流跟隨輸入電壓波形，使輸入電流波形與電壓同相，從而實現功率因數校正。

圖2 功率因數測量電路

4.硬件電路

4.1 功率因數測量電路設計

如圖2所示，功率因數測量電路設計思路是計算電壓與電流的相位差，再根據功率因數公式求得，交流電經電壓、電流互感器減弱，再經過零比較整形與D觸發器合成方波送入單片機計算求出結果。

4.2 PFC及過流保護電路設計

圖3 過流保護電路

圖4 穩壓電路

4.3 電源電路設計

在本設計中，運放需±15V供電，單片機需、A/D、D/A需+5V供電，采用三端穩壓器7805、78H15、79H15構成一穩壓電源，題目要求輸出電流范圍是200mA～2000mA，而78H、79H系列穩壓器輸出電流最大可以達到5A，能為系統提供足夠大的穩定電流。穩壓電路如圖4所示：考慮系統對功率要求較高，所以在設計中選取了輸出功率50W的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產生。

[1]黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程[M].北京:電子工業出版社,2005.

[2]謝自美.電子線路設計測試[M].武漢:華中理工大學出版社,2000.

[3]楊邦文.新型實用電路制作200例[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[4]毛興武,等.功率因數校正原理與控制IC及其應用設計[M].北京:中國電力出版社,2007.