基于UCC28019的AC-DC變換電路的設(shè)計(jì)

周孟強(qiáng)，宋偉，李剛

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

電能源與當(dāng)今人類的生產(chǎn)生活密不可分，也正因?yàn)槿绱耍藗円恢痹谂μ剿鲗で蠓€(wěn)定高效的發(fā)電途徑、方法和設(shè)備。開關(guān)電源作為一種新型電源，比傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源的電源效率提高近一倍，具有效率高、功率低、體積小、重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源現(xiàn)在在很多方面都有著廣泛的應(yīng)用，不僅適用于眾多的電子產(chǎn)品，而且應(yīng)用于儀器儀表、計(jì)算機(jī)內(nèi)部的供電系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等方面。穩(wěn)壓電源的制作現(xiàn)在大部分使用開關(guān)電源，是如今穩(wěn)壓電源的主流作品。目前，開關(guān)電源已經(jīng)變得越來越集成化、智能化和模塊化。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)以Boost升壓電路為核心電路，通過功率因數(shù)校正電路輸出PWM信號來對Boost電路進(jìn)行控制，Boost將整流后的24V交流電壓升壓再通過電容濾波后得到36V的直流輸出電壓。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖中變壓器由自耦變壓器和隔離變壓器構(gòu)成。

該設(shè)計(jì)還有如下附加功能：能校正AC—DC變換電路交流輸入側(cè)功率因數(shù)，提高電路效率，輸入欠壓保護(hù)和輸出過流保護(hù)功能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由整流電路、Boost電路和功率因數(shù)校正電路等電路組成。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 整流電路的設(shè)計(jì)

半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路是電源電路中整流電路的主要三種方向。本設(shè)計(jì)使用的是橋式整流電路。該電路是將24V的交流電壓從接口端P2流入整流橋進(jìn)行整流，然后利用整流二極管的單向?qū)щ姷奶匦詫⒄骱蟮闹绷麟妷核徒oBoost電路。整流電路如圖2所示。

圖2 整流電路原理圖

此電路的輸入濾波器容量是開關(guān)電源的一個(gè)重要參數(shù)。只有選擇合適濾波電容（C3）,才能有效的降低整流濾波器的輸出紋波。

2.2 Boost電路的設(shè)計(jì)

Boost升壓電路中的儲能電感L1、功率開關(guān)管Q1、續(xù)流二極管D2、輸出濾波電容C4是此電路的主要元器件，電路原理圖如圖3所示。

當(dāng)功率因數(shù)校正電路中的UCC28019芯片的8號腳有PWM波形輸出時(shí)（J1口有脈沖輸入），功率開關(guān)管Q1導(dǎo)通，整流電路輸出的J2、J3兩端的輸入直流電壓Ui幾乎全部加在儲能電感L兩端，此時(shí)電感極性為左端正右端負(fù)，續(xù)流二極管D2反偏處于截止?fàn)顟B(tài)，電流從電源正端經(jīng)儲能電感L1和功率開關(guān)管Q1流回電源負(fù)端，儲能電感電流iL按線性規(guī)律上升，電感L1將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存起來。經(jīng)過一段時(shí)間后，控制電路無PWM波形輸出（J1口無脈沖輸入），使Q1截止，L1兩端自感電勢的極性變?yōu)橛叶苏蠖素?fù)，使D2導(dǎo)通，L1釋放儲能，儲能電感電流iL按線性規(guī)律下降；這時(shí)Boost電路的輸入電壓Ui和L1上的電壓UL疊加起來，經(jīng)續(xù)流二極管D2向負(fù)載供電和濾波電容C4充電。重復(fù)上述兩種過程。

該電路的優(yōu)點(diǎn)：（1）輸出電壓總是高于輸入電壓，當(dāng)功率開關(guān)管被擊穿短路時(shí)，不會出現(xiàn)輸出電壓過高而損壞負(fù)載的情況。（2）升壓變換器的輸入電流（即L中的電流iL）是連續(xù)的，不是脈沖電流，因此對電源只有較小的干擾，緩解輸入濾波的任務(wù)。

該電路的缺點(diǎn)：輸出側(cè)的電流（流經(jīng)D2的電流）是不連續(xù)的，即脈沖電流，加重了輸出濾波的任務(wù)。

圖3 Boost電路原理圖

2.3 功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)

本功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)主要是使用TI公司研發(fā)的功率因數(shù)校正控制芯片UCC28019。UCC28019芯片有8腳的PDIP和8腳的SOIC兩種封裝形式，其引腳排列如圖4所示。

該8—Pin連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）PFC控制器有以下特征：

·8—Pin 無感測電壓，減少外圍元器件；

圖4 芯片引腳圖

·寬輸入電壓范圍通用AC；

·工作頻率固定 61—kHz；

·最大占空比高達(dá)97%；

·具有輸出過/欠壓保護(hù)功能；

·具有輸入欠壓保護(hù)功能；

·具有峰值電流限制；

·可以開環(huán)檢測；

·擁有用戶可控低功耗待機(jī)模式。

當(dāng)該芯片的腳4（VINS）能實(shí)現(xiàn)輸入交流電壓檢測和輸入電壓的欠壓保護(hù)，當(dāng)該引腳的電壓低于0.8V時(shí)，芯片會停止工作，直到電壓達(dá)到1.5V的時(shí)候該芯片才開始初始化軟啟動過程。腳3（ISENSE）對地接一個(gè)1000pF的電容（C10）用于提高該引腳的抗噪聲能力。腳6（VSENSE）是輸出電壓檢測端，也能實(shí)現(xiàn)輸出電壓過壓保護(hù)。當(dāng)該引腳超過其額定電壓的105%時(shí)會關(guān)閉開關(guān)驅(qū)動信號。腳8（GATE）是柵極驅(qū)動（推挽式柵極驅(qū)動），用于驅(qū)動Boost升壓電路中的功率開關(guān)管Q1，能提供1.5～2.0A的驅(qū)動電流，輸出電壓被鉗位在12.5V。基于UCC28019的功率因數(shù)校正電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32作為控制器，通過硬件電路完成對相關(guān)參數(shù)的測量和校正，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和輸出電流的調(diào)節(jié)。通過AD采樣完成對輸入/出電壓、電流的測量顯示，再通過程序?qū)崿F(xiàn)對功率因數(shù)的計(jì)算及顯示。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4 部分電路測試分析

（1）負(fù)載調(diào)整率的測試方法：在輸入電壓為24V，輸出電壓為36V的前提條件下，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻使其輸出電流在一定范圍內(nèi)變化，測量不同輸出電流時(shí)的輸出電壓U01和U02，則負(fù)載調(diào)整率為 S1＝［（U02－U01）/ U01］×100%。

（2）電壓調(diào)整率的測試方法：在輸出電壓為36V，輸出電流為2A的條件下，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使Boost電路輸入電壓在20～30V范圍內(nèi)變化，測量兩種情況下不同的輸出電壓，分別記為U03和U04，則電壓調(diào)整率維持S1＝［（U04－U03）/ 36］×100%。

圖5 功率因數(shù)校正電路原理圖

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

（3）功率因數(shù)的測試：通過對負(fù)載的調(diào)節(jié)，在輸出電流不同的情況下，用示波器測量在輸出點(diǎn)波形的占空比D，然后計(jì)算功率因數(shù)。

（4）電路效率測試：AC/DC電路效率為η=（U0I0/UsIs）×100%。

5 測試結(jié)果

對基于UCC28019的單相AC—DC變換電路進(jìn)行測試，在輸入交流電壓，輸出直流電流的條件下，該設(shè)計(jì)的輸出直流電壓可以穩(wěn)定在36V，并且負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率都較低，輸入側(cè)功率因數(shù)的測量誤差較小，有較高的電路變換效率，能實(shí)現(xiàn)輸出過流保護(hù)功能。