全国大学生电子设计竞赛单相ACDC变换电路A题.docx

1、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电路一、 设计任务51.1 基本要求5 1.2 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6 2.3 处理器的选择6 2.4 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 3.4 AC-DC主回路与器件选择11 3.5 DC-DC主回路与器件选择113.6 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

3、分析14 4.1 测试仪器144.2 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=2A 条件下，使输出直流电压Uo=36V0.1V。（2）当 Us=24V，Io 在 0.2A2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI 0.5%。（3）当

4、 Io=2A，Us 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，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 0.801.00，稳态误差绝对值不大于 0.0

5、3。（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）

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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31.25 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。

12、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）

13、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+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

14、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，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0.01 s，则 F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

15、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45V，最大电流3 A），能很好地满足题目的要求。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。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

16、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 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。图8 辅助电源电路图3

17、.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。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 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。图11 测试框图4.3

18、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 /V135.84235.90335.87（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 /V10.236.7820.536.5031.036.1541.536.0452.035.80（3）电压调整率测试保持其他条件不变，当，在20 V30 V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

19、入电压 /V直流输出电压 /V12035.3222536.0233035.80（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 /A12.5222.6032.58（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 /VA35.921.99871.7724.103.6287.244.4 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（3）电压调整率测试结果分析在测试

20、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

21、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，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着.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

22、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.北京：清华大学出版社，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 总电路图附录2 元器件清单NameDescriptionDes

23、ignatorQuantityValueIR2102U11InductorInductorL11400uHBridge1Full Wave Diode BridgeD111N4148High Conductance Fast DiodeD21IRF3205N-Channel MOSFETQ11Cap PolPolarized CapacitorC3, C4210uFCapCapacitorC1, C220.1uFMBR745Default DiodeD31Cap PolPolarized CapacitorC7,C8,C934700uFCap PolPolarized CapacitorC5,

24、C622200uFCapCapacitorC1010.1uFRes2ResistorR6, R7210K, 100KLM358U21Cap Pol1Polarized CapacitorC111100uFCap Pol1Polarized CapacitorC1211000uFMBR745Schottky DiodeD31InductorInductorL21LM2576-5VU31LCD1602Liquid Crystal Display1Atmega16 Min SystemIncluding 8M crystal1附录3 程序/*/* Name: 电子设计电源题 功能：稳压，电路保护功能

25、 */ /* 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 unsigned char#define uint unsigned int#define Get_Bit(val, bitn) (val &(1(bitn) ) uint addata;uint rec=1;uchar flag=1;/进入按键中断标志uch