單向24VAC—36VDC變換及功率因數測量電路系統

摘 要 本系統可達到在輸入交流電壓

關鍵詞 AC-DC變換 功率因數測量（PFC） BOOST-BUCK變換 STM32 單片機 UCC28019

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A

1方案設計與論證

1.1AC-DC整流電路方案論證

整流電路選擇有源整流電路。利用理想二極管橋控制器LT4320驅動四個N溝道的MOS管從而將交流電轉化為直流電。該方案功率損耗小，且可對整流器件的通斷進行控制。

1.2功率因數測量方案論證

功率因數測量采用相位差測量法。利用電壓、電流互感器分別對電壓、電流信號進行提取，經過比較器整形后，通過相位差測量出電壓、電流的相位差，再通過一個余弦計算就可以得到功率因數。公式P=Scos€%a，Q=（Q表示無功功率）還可以計算出有功功率、無功功率等值。該方法易于操作，而且通過等精度測相法，可以達到很高的測相精度且可以更好地保持電路的完整性。

2總體設計方案

綜合整體考慮，本系統可分為六個部分：AC-DC變換部分、功率因數測量部分、功率因數調節部分（PFC）、Buck降壓部分、數據采集部分、顯示部分。

整體系統流程為隔離變壓器將輸入的220V交流市電轉換為24V交流電，經經整流電路將24V交流電轉換為24V直流電。通過基于UCC28019的BOOST電路升壓至43VDC，此過程中可完成功率因數調節。再經由BUCK電路降壓至目標的36VDC。此后對電流采樣，轉換為電壓并經AD轉換后輸入單片機判斷是否需要開啟過流保護。對功率因數的測量則是在對輸入的24V交流電進行電壓及電流的采樣，通過測量相位來達到。

3電路設計方案

3.1功率因數校正控制及升壓電路設計

功率因數校正控制環節圍繞UCC28019為核心設計外圍電路，根據TI公司官網上的設計軟件設計得到如圖外圍參數。該電路除了可進行功率因數測量及矯正外，還可將經整流電路整流后的24VDC升壓為43VDC。

3.2穩壓控制電路

利用BUCK電路，將PFC控制電路中BOOST部分輸出的43V電壓降為36V，使用帶自反饋功能的驅動芯片通過硬件實現穩壓。

3.3功率因數測量電路設計

功率因數測量電路采用比較器整形后測相的方法實現。首先利用電壓互感器和電流互感器利用過零比較對變壓器副邊的交流電壓，再利用具有隔離控制特點的ACS712電流傳感器芯片對電流進行檢測并輸出電壓。

3.4過載保護單元電路設計

該保護電路控制主要由單片機完成，若單片機檢測到輸出電流不在制定范圍內（2.5€？.2A）時，單片機就會輸出控制信號給繼電器，控制繼電器中線圈工作，切斷電源，達到過流保護的目。電流恢復正常后繼電器自動恢復為閉合狀態。

4軟件設計

單片機初始化后，TIM8輸入捕獲，通過測量電壓，電流通過芯片SN74HC86N后的占空比計算功率因數。過流保護部分為采集電流值后判斷電流值是否大于2.5A，如果大于則系統停止工作，維持電流采集，當電流小于2.5A時系統自動恢復工作。信息均通過12864液晶顯示屏顯示。

5系統測試

5.1測試條件

功率因數的測量通過單向電參數測量儀進行測量。

過流保護功能的實現則通過調小負載電阻使電流達到2.5A，檢測繼電器是否跳斷。

測試儀器：Agilent 34401 A 六位半電數字萬用表

Ainuo AN8721P 單相電參數測量儀

5.2 測試結果

經多次測量取平均值后，輸出電壓Uo=35.99V；平均負載調整率SI=0.252%；

平均電壓調整率SU=0.235%；交流輸入側功率因數為0.993>0.98，變化范圍不大于0.03；AC-DC變換電路效率為83%。同時當輸出電流>2.5A時，系統停止工作，并可自動恢復。

5.3測試結果分析

通過對測試數據的分析發現，由于系統采用數字閉環反饋調節，經過實時采樣，可使負載調整率和電壓調整率達到很高的穩定度。基于后級Buck主拓撲結構的特點，采用閉環反饋，能夠很好控制輸出電壓，動態響應良好。功率因數由于采用UCC28019電流跟蹤電壓式調節，使輸入的電壓、電流相位差很小，理論上功率因數可高達99%。但由于PFC中一些參數不夠精準，電感會產生一些噪聲，從而影響到電流電壓的波形。由于前級PFC效率的影響和后級buck效率的疊加，使之總效率有所降低。在系統效率方面還應完善。

系統還可以進行PFC功率因數調節等一些附加功能改進。

參考文獻

[1] 黃根春，周立青，張望先.全國大學生電子設計競賽教程.電子工業出版社，2012.

[2] 周志敏，紀愛華.零起點學開關電源設計.電子工業出版社，2013.