全国大学生电子设计竞赛单相ACDC变换电路A题.docx
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全国大学生电子设计竞赛单相ACDC变换电路A题
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
摘要
本系统以AVRATmega16单片机为控制核心，结合MOSFET驱动器IR2102，低导通电阻功率MOSFETIRF3205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（20~30V）-DC（36V）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；Boost电路
一、设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.1基本要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.2发挥部分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
二、方案论证与比较．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.1AC-DC整流电路的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.2DC-DC主回路拓扑的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3处理器的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.4反馈稳压方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.5过流保护方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.6功率因数测量方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.7功率因数调整方案选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.8系统框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
三、理论分析与计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.1提高效率的方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.2功率因数调整方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.3稳压控制方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
3.4AC-DC主回路与器件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.5DC-DC主回路与器件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.6控制电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.7辅助电源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.8电压测控电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
3.9软件与程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
四、测试结果与误差分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
4.1测试仪器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
4.2测试方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
4.3测试数据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.4测试结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
五、结论与心得体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
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
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36V，输出电流额定值为2A。
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=2A条件下，使输出直流电压Uo=36V±0.1V。
（2）当Us=24V，Io在0.2A～2.0A范围内变化时，负载调整率SI≤0.5%。
（3）当Io=2A，Us在20V～30V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2.5A±0.2A。
1.2发挥部分
（1）实现功率因数校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=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，Io=2A，Uo=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0.80~1.00，稳态误差绝对值不大于0.03。
（4）其他。
二、方案论证与比较
2.1AC-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）。
2.2DC-DC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AC20~30V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STC12C5A16S2单片机。
STC12C5A16S2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AVRRISC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8V，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。
图2功率因数测量方案
2.7功率因数调整（PFC）方案选择
（1）无源PFC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。
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。
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。
本设计中将开关频率定为31.25kHz。
（2）使用低导通电阻的开关管。
本设计采用采用N沟道功率MOSFETIRF3205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MBR745，典型正向导通电压为0.57V（电流7.5A，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。
图5UC3854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
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
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
如想保证电路工作在CCM模式，对负载电阻R应该有一定限制。
此时若调节单片机输出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+eV，则降低占空比；单片机检测到输出电压小于36-eV，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。
3.4AC-DC主回路与器件选择
电路图如图6。
整流桥选择耐压1000V，最大电流10A的整流桥。
根据公式可计算整流后滤波电容
，
上式中，P为后级电路的输入功率；Ud为电容上的平均电压。
单相全桥电路，T取0.01s，则
μF
为提高滤波效果，取两个100V，4700μF的电解电容和一个100V，2200μF的电解电容并联。
3.5DC-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MOSFETIRF3205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100ns，关断下降时间50ns）；采用肖特基二极管MBR745作为续流二极管（反向耐压45V，最大电流3A），能很好地满足题目的要求。
图6AC-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。
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AC20~30V，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AC220V转换成DC15V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（DC15V-DC5V）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52kHz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3A）。
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。
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100kΩ和10kΩ的电阻分压，输出电压理论上是0~3.27V，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。
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，具体的程序见附录3。
图10程序总流程图
四、测试结果与误差分析
4.1测试仪器
RIGOLDM3051数字多用表
RIGOLDS1102E双通道数字示波器
SUINGSS3225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。
图11测试框图
4.3测试数据
（1）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
35.84
2
35.90
3
35.87
（2）负载调整率测试
保持其他条件不变，使
，
在0.2A~2.0A范围内调节，测量直流输出电压
，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
36.78
2
0.5
36.50
3
1.0
36.15
4
1.5
36.04
5
2.0
35.80
（3）电压调整率测试
保持其他条件不变，当
，
在20V~30V范围内调节，测量测量直流输出电压
，如表3所示。
表3电压调整率测试数据
序号
交流输入电压
/V
直流输出电压
/V
1
20
35.32
2
25
36.02
3
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
2.52
2
2.60
3
2.58
（5）AC-DC变换电路效率测试（见表5）
表5AC-DC变换电路效率测试数据
/V
/A
/W
/V
/A
/VA
35.92
1.998
71.77
24.10
3.62
87.24
4.4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
在三次测量中均保持在36V±0.2V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
（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
（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
五、结论与心得体会
本系统以AVRATmega16单片机为控制核心，结合MOS管驱动器IR2102，低导通电阻功率MOSFETIRF3205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，2012
[2]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，2010
[3][美]RonLenk着.王正仕，等译.实用开关电源设计[M].北京：
人民邮电出版社，2006
[4]林云，管春.电力电子技术[M].北京：
人民邮电出版社，2012
[5]马洪涛等.开关电源制作与调试[M].北京：
中国电力出版社，2010
[6]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，2012
[7]张华宇等.AVR单片机基础与实例进阶[M].北京：
清华大学出版社，2012
[8]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，2012
[9]沙占友，孟志永.提高开关电源效率的方法[J].电源技术应用，2012.3
[10]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.2008.6
[11]ATMEL.ATmega16数据手册[Z].2003
附录1总电路图
附录2元器件清单
Name
Description
Designator
Quantity
Value
IR2102
U1
1
Inductor
Inductor
L1
1
400uH
Bridge1
FullWaveDiodeBridge
D1
1
1N4148
HighConductanceFastDiode
D2
1
IRF3205
N-ChannelMOSFET
Q1
1
CapPol
PolarizedCapacitor
C3,C4
2
10uF
Cap
Capacitor
C1,C2
2
0.1uF
MBR745
DefaultDiode
D3
1
CapPol
PolarizedCapacitor
C7,C8,C9
3
4700uF
CapPol
PolarizedCapacitor
C5,C6
2
2200uF
Cap
Capacitor
C10
1
0.1uF
Res2
Resistor
R6,R7
2
10K,100K
LM358
U2
1
CapPol1
PolarizedCapacitor
C11
1
100uF
CapPol1
PolarizedCapacitor
C12
1
1000uF
MBR745
SchottkyDiode
D3
1
Inductor
Inductor
L2
1
LM2576-5V
U3
1
LCD1602
LiquidCrystalDisplay
1
Atmega16MinSystem
Including8Mcrystal
1
附录3程序
/******************************************************************************/
/*Name:
电子设计电源题功能：
稳压，电路保护功能*/
/*Designedby:
胡车，蒋睿，张佩小组Date:
2013/9/521:
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*/
/*PA0~PA2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"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineGet_Bit（val,bitn）（val&（1<<（bitn）））
uintaddata;
uintrec=1;
ucharflag=1;//进入按键中断标志
uch
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