單相AC?DC變換電路設計及試驗

薛秀云+宋淑然+呂永青+鄭逸生

摘 ?要： 該單相AC?DC變換電路以有源功率因數控制器UCC28019為核心，STM32F103做主控芯片，采用主控芯片片上DAC調節UCC28019電壓誤差放大器反饋端，控制輸出電壓穩定輸出;設計功率因數測量電路、輸出保護電路、功率因數調整電路等電路模塊。經測試，系統輸入電壓為24 V時，輸出2 A電流時可穩定輸出36 V電壓，負載調整率為0.02%，電壓調整率為0.028%，功率因數測量最大誤差為0.02，過流保護動作電流為2.54 A，交流輸入側功率因數校正后最高達99.9%，轉換效率達96.7%，功率因數在0.8～1.0穩定可調。

關鍵詞： AC?DC變換; 功率因數校正; ?UCC28019; 拓撲結構

中圖分類號： TN710?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0138?04

Design and test of single?phase AC?DC conversion circuit

XUE Xiu?yun， SONG Shu?ran， L? Yong?qing， ZHENG Yi?sheng

（College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Abstract： With controller chip STM32F103， active Power Factor Controller UCC28019 as a core of the system， the voltage error amplifier feedback of the UCC28019 is adjusted by means of on?chip DAC in STM32F103 to achieve a stable output vol?

tage. The power factor measurement circuit， output protection circuit， power factor adjustment circuit were designed. Test results show that when input voltage is 24 V and output current is 2 A， ?the system can output 36 V voltage stably， its load regulation rate is 0.02%， voltage regulation rate is 0.028%， the maximum error of power factor measurement is 0.02， overcurrent protection operating current is 2.54 A， ?conversion efficiency is 96.7%， power factor is adjustable from 0.8 to 1.0 stable.

Keywords： AC?DC conversion; power factor correction; UCC28019; topology

0 ?引 ?言

程控恒流電源在儀器儀表中有著廣泛的應用，如，測試領域中組成自動測量儀器，給各類傳感器恒流供電以對過程變量進行檢測等[1?3]，是模擬系統中廣泛使用的一種單元電路或測試平臺，在實際工程中也有廣泛的用途，是電導測量、開關電源、功放等場合不可替代的檢測設備[4]。隨著電子技術的發展，恒流源已經廣泛地應用在各個領域中。

電源技術的發展進一步推動了測量技術的發展，儀器儀表的性能要求速度更快、靈敏度更高、穩定性更好、樣品量更少、遙感遙測更遠距、使用更方便、成本更低廉、無污染等，同時也為儀器儀表科技與產業的發展提供了強大的推動力，并成了儀器儀表進一步發展的物質、知識和技術基礎。由于雙積分式積分器對積分及元件時鐘頻率的精度要求不高，且能得到較高的測量精度，因而在數字電壓表以及多種電子儀器中得到了廣泛應用[5?7]。本文將介紹一種利用單片機PID算法實現閉環控制的程控電源電路，可產生1～20 A的恒流輸出，和0～5 V的恒壓輸出，同時可通過串口輸入或按鍵輸入設定恒流/恒壓模式的切換和設定相應的值，電路中采取了雙斜積分進行實時測量。

1 ?理論分析與計算

1.1 ?功率因數測量

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦值叫做功率因數，通過檢測輸入側的交流電壓的零相位時間點[t1]和交流電流的零相位時間點[t2]，由公式[cos ωt1-t2]，即可得出功率因數，并通過單片機用LCD屏顯示。使用交流電流互感器及交流電壓互感器可準確地隔離獲取交流電壓及電流信號，將電壓、電流信號調整后經過零比較器即可得到具有相位差的電壓、電流方波信號，使用STM32F103信號捕獲功能可準確捕獲并計算出電壓信號與電流信號之間的相位差，即可準確測量輸入交流側功率因數。

1.2 ?提高效率的方法

（1） 為提高電路電能轉換效率，本系統使用LT4320與4個N溝道場效應管IRF3205組成交流同步整流橋，IRF3205導通電阻Rds僅為0.008 Ω，電流2 A時單管導通功耗僅為0.032 W，相對于二極管整流橋整流，使用N溝道場效應管同步整流效率提高了76%以上。

（2） Boost拓撲電路開關管選用低導通電阻的NMOS管IRF3205，IRF3205的導通電阻Rds僅為0.008 Ω，設輸入側平均電流[IDS-RMS=3.4 ?A]，因此其導通功耗為[PCOND=IDS-RMS2·RDS-ON=3.4×0.008=][0.092 5 ?W]，由于UCC28019工作頻率固定為65 kHz，因此，IRF3205開關損耗功耗[PSW=0.059 ?7 ?W]。

1.3 ?UCC28019功率因數校正電路參數選擇

本系統使用UCC28019專用功率因數校正芯片組成BOOST拓撲結構功率因數校正電路。該芯片開關頻率固定為65 kHz，具有峰值電流限制、軟過流保護、開環檢測、輸入掉電保護、輸入過壓/欠壓保護等功能，使用TLC2272組成電壓跟隨器對UCC28019反饋端進行控制，對輸出電壓進行微調，電路最終穩定輸出36 V，最大輸出電流峰值為3 A。

1.4 ?穩壓控制方法

將輸出端利用減法電路進行采樣，由STM32F103內部ADC實時讀取當前輸出電壓值，通過軟件PID算法運算后由DAC輸出調整電壓輸入到UCC28019的電壓誤差放大器輸入端，調節SPWM波的輸出占空比實時調節輸出電壓，使其穩定輸出Uo=36 V±0.1 V，Io=2 A。

2 ?電路與程序設計

2.1 ?主回路與器件選擇

本系統使用LT4320與4個N溝道場效應管IRF3205組成交流同步整流橋，使用UCC28019專用功率因數校正芯片組成BOOST拓撲結構功率因數校正電路，同時實現AC?DC變換電路和功率因數校正電路，系統總體方案如圖1所示。

2.2 ?控制電路與控制程序

2.2.1 ?控制電路

圖2為控制電路框圖，開關電源控制電路如圖2所示，開關控制器為UCC28019，LT4320為同步整流控制器。使用UCC28019專用功率因數控制器組成Boost拓撲結構AC?DC穩壓電路，STM32F103通過DAC調節由TLC2272組成的減法電路來調整輸出電壓，使電路穩定輸出36 V;使用LT4320與N溝道場效應管組成同步整流電路，提高電路工作效率。

2.2.2 ?控制程序

圖3為軟件控制流程圖，STM32F103利用外部搭建的基準電壓作為參考電壓，基準電壓為2.046 9 V，通過內部ADC檢測電流檢測模塊、電壓檢測模塊的實時輸出電壓，通過換算，在LCD屏上顯示當前輸出電流及電壓值;通過檢測輸入電壓的零相位時間t1和輸入電流零相位時間t2，得出當前相位差φ1，加上相位補償值φ0，得出功率因數為[cosφ1+φ0];功率因數通過外部矩陣鍵盤鍵入預設定值，STM32F103通過讀取該值，利用內部DAC輸出相應的控制電壓，再通過PID算法使輸出功率因數保持穩定;過流保護由外部硬件電路觸發單片機的中斷，單片機通過控制繼電器將AC?DC電路的輸入全面切斷，實現過流保護。

2.2.3 ?調壓電路

調壓電路采用減法電路為主架構，精準選配的電阻網絡，使電路輸出電壓僅有3～5 mV的誤差，把輸出端接入APFC控制器UC28019電壓誤差放大器的反饋端，便在輸入0～3 V的范圍內系統的輸出電壓可精確控制為Uo=36 V±0.1 V。調壓的分辨率為：

[3.3×（36.1-35.99）（3×212）≈0.000 ?053 ?V]

2.2.4 ?過流保護電路

過流保護電路采用寬共模電壓的電壓輸出電流并聯監控器INA283，使輸出電流流過采樣電阻RSHUT，當輸出電流為2.5 A時，采樣電阻兩端的電壓經INA283放大后輸出2.5 V的電壓，通過調整比較器負端的電壓，使比較器輸出高電平觸發單片機中斷，單片機控制繼電器將AC?DC變換電路輸入斷開，從而實現過流保護功能。

2.3 ?外部基準電壓

本系統使用LM4040和3 V紐扣電池組成零電壓波動外部獨立基準電源，輸出電壓為2.048 V，誤差僅為0.1%，使用獨立電池供電可提高基準電壓的穩定性及精準度，實際測量模塊輸出電壓為2.046 9 V，相對誤差為0.054%。使用STM32F103片上ADC對基準電壓進行采樣，并對片上ADC及DAC基準電壓進行修正。

3 ?測試方案與測試結果

3.1 ?測試條件

測試地點為實驗室，室內溫度為25 ℃，測試儀器如表1所示。

表1 測試儀器

3.2 ?輸出電壓測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器的輸出電壓，使得US=24 V，用四位半萬用表測量輸出電流，通過調整負載，使得輸出電流Io=2 A，用四位半萬用表測量此時的輸出電壓，實驗數據見表2。

表2 輸出電壓誤差測試

實驗結果表明，在輸入交流電壓，輸出直流電流IO=2 A，Uo=36.008 V的條件下，模塊AC?DC直流輸出電壓為Uo=36.008 V，符合基本要求的Uo=36 V±0.1 V的要求并且優于該指標。

3.3 ?負載調整率測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調節自耦變壓器使得輸入交流電壓US=24 V，通過調整負載，使得Io在0.2～2.0 A范圍內變化，使用四位半萬用表測量此時的輸出電壓，實驗數據見表3。

實驗結果表明，在輸出直流電流Io=0.20 A時的輸出電壓Uo1=36.016 V，在輸出直流電流Io=2.0 A時的輸出電壓Uo2=36.008 V，通過代入負載調整率公式[SI=Uo2-Uo1Uo1×100%]，得出負載調整率SI=0.02%，符合并優于基本要求的SI[?]0.5%負載調整率。

表3 負載調整率測試

3.4 ?電壓調整率測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整負載，使得輸出電流Io=2.0 A，通過調整自耦變壓器的輸出電壓US在20～30 V范圍內變化，使用四位半萬用表測量此時的輸出電壓，實驗數據見表4。

實驗結果表明，在輸入交流電壓為US=20.0 V，時的輸出電壓為Uo1=39.96 V，在輸入交流電壓US=30.0 V時的輸出電壓為Uo2=35.97 V，通過代入電壓調整率公式[SU=Uo2-Uo136×100%]，得出電壓調整率為SU=0.028%，符合基本要求的電壓調整率[SU?0.5%]，并且優于該指標。

3.5 ?功率因數測量測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器使得輸入交流電壓US=24 V，調整負載，使得輸出直流電流Io=2.0 A，使用LCD屏顯示當前單片機計算得出的功率因數，實驗數據如表5。

表4 電壓調整率測試

表5 功率因數測量測試

實驗結果表明，本功率因數測量電路能測量并顯示出功率因數，誤差為0.002，符合基本要求不大于0.03，并優于該指標。

3.6 ?過流保護功能測試

用四位半萬用表測量輸出電流，通過調整負載使得輸出電流Io從0.2 A緩慢上升至保護動作電流，記錄當前的電流，通過測試，測得過流保護電流為2.54 A，符合基本要求動作電流為2.5 A±0.2 A，并優于該指標。

3.7 ?功率因數校正測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器的輸出電壓US=24 V，使得，用四位半萬用表測量輸出電流，通過調整負載，使得輸出電流Io=2 A，讀取當前功率因數值，通過測試，測得功率因數為0.997，符合發揮部分要求不低于0.98，并優于該指標。

3.8 ?AC?DC效率測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器的輸出電壓，使得US=24 V，用四位半萬用表測量輸出電流和輸出電壓，通過調整負載，使得Io=2 A，Uo=36 V輸出端為，實驗數據如表6所示。

表6 AC?DC效率

實驗結果表明，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，由[η=PoPS×100%]，得出AC?DC變換電路的效率為96.7%，優于發揮部分電路效率不低于95%的要求。

3.9 ?自動調整功率因數測試

在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，通過按鍵設置功率因數，實驗數據如表7所示。

表7 自動調整功率因數測試

實驗數據表明，功率因數自動調整功能正常，誤差最大為0.01，符合發揮部分要求并優于該指標。

4 ?結 ?語

（1） 在輸入交流電壓US=24 V、輸出直流電流Io=2 A條件下，輸出直流電壓Uo=36.008 V;

（2） 當US=24 V，Io在0.2～2.0 A范圍內變化時，負載調整率為0.02%;

（3） 當Io=2 A，US在20～30 V范圍內變化時，電壓調整率為0.028%;

（4） 設計并制作功率因數測量電路，實現AC?DC變換電路輸入側功率因數的測量，測量誤差絕對值最大為0.02;

（5） 具有輸出過流保護功能，動作電流為2.54 A;

（6） 實現功率因數校正，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，AC?DC變換電路交流輸入側功率因數為0.999;

（7） 在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，AC?DC變換電路效率為96.7%;

（8） 能夠根據設定自動調整功率因數，功率因數調整范圍為0.8～1.0，穩態誤差絕對值為0.02。

參考文獻

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[9] 房雪蓮.基于UC3845的非隔離反激式輸出可調開關電源設計[J].現代電子技術，2012，35（16）：174?177.

[10] 趙衛.開關電源的過流保護電路[J].電子科技，2011，24（6）：116?117.

表3 負載調整率測試

3.4 ?電壓調整率測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整負載，使得輸出電流Io=2.0 A，通過調整自耦變壓器的輸出電壓US在20～30 V范圍內變化，使用四位半萬用表測量此時的輸出電壓，實驗數據見表4。

實驗結果表明，在輸入交流電壓為US=20.0 V，時的輸出電壓為Uo1=39.96 V，在輸入交流電壓US=30.0 V時的輸出電壓為Uo2=35.97 V，通過代入電壓調整率公式[SU=Uo2-Uo136×100%]，得出電壓調整率為SU=0.028%，符合基本要求的電壓調整率[SU?0.5%]，并且優于該指標。

3.5 ?功率因數測量測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器使得輸入交流電壓US=24 V，調整負載，使得輸出直流電流Io=2.0 A，使用LCD屏顯示當前單片機計算得出的功率因數，實驗數據如表5。

表4 電壓調整率測試

表5 功率因數測量測試

實驗結果表明，本功率因數測量電路能測量并顯示出功率因數，誤差為0.002，符合基本要求不大于0.03，并優于該指標。

3.6 ?過流保護功能測試

用四位半萬用表測量輸出電流，通過調整負載使得輸出電流Io從0.2 A緩慢上升至保護動作電流，記錄當前的電流，通過測試，測得過流保護電流為2.54 A，符合基本要求動作電流為2.5 A±0.2 A，并優于該指標。

3.7 ?功率因數校正測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器的輸出電壓US=24 V，使得，用四位半萬用表測量輸出電流，通過調整負載，使得輸出電流Io=2 A，讀取當前功率因數值，通過測試，測得功率因數為0.997，符合發揮部分要求不低于0.98，并優于該指標。

3.8 ?AC?DC效率測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器的輸出電壓，使得US=24 V，用四位半萬用表測量輸出電流和輸出電壓，通過調整負載，使得Io=2 A，Uo=36 V輸出端為，實驗數據如表6所示。

表6 AC?DC效率

實驗結果表明，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，由[η=PoPS×100%]，得出AC?DC變換電路的效率為96.7%，優于發揮部分電路效率不低于95%的要求。

3.9 ?自動調整功率因數測試

在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，通過按鍵設置功率因數，實驗數據如表7所示。

表7 自動調整功率因數測試

實驗數據表明，功率因數自動調整功能正常，誤差最大為0.01，符合發揮部分要求并優于該指標。

4 ?結 ?語

（1） 在輸入交流電壓US=24 V、輸出直流電流Io=2 A條件下，輸出直流電壓Uo=36.008 V;

（2） 當US=24 V，Io在0.2～2.0 A范圍內變化時，負載調整率為0.02%;

（3） 當Io=2 A，US在20～30 V范圍內變化時，電壓調整率為0.028%;

（4） 設計并制作功率因數測量電路，實現AC?DC變換電路輸入側功率因數的測量，測量誤差絕對值最大為0.02;

（5） 具有輸出過流保護功能，動作電流為2.54 A;

（6） 實現功率因數校正，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，AC?DC變換電路交流輸入側功率因數為0.999;

（7） 在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，AC?DC變換電路效率為96.7%;

（8） 能夠根據設定自動調整功率因數，功率因數調整范圍為0.8～1.0，穩態誤差絕對值為0.02。

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[10] 趙衛.開關電源的過流保護電路[J].電子科技，2011，24（6）：116?117.

表3 負載調整率測試

3.4 ?電壓調整率測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整負載，使得輸出電流Io=2.0 A，通過調整自耦變壓器的輸出電壓US在20～30 V范圍內變化，使用四位半萬用表測量此時的輸出電壓，實驗數據見表4。

實驗結果表明，在輸入交流電壓為US=20.0 V，時的輸出電壓為Uo1=39.96 V，在輸入交流電壓US=30.0 V時的輸出電壓為Uo2=35.97 V，通過代入電壓調整率公式[SU=Uo2-Uo136×100%]，得出電壓調整率為SU=0.028%，符合基本要求的電壓調整率[SU?0.5%]，并且優于該指標。

3.5 ?功率因數測量測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器使得輸入交流電壓US=24 V，調整負載，使得輸出直流電流Io=2.0 A，使用LCD屏顯示當前單片機計算得出的功率因數，實驗數據如表5。

表4 電壓調整率測試

表5 功率因數測量測試

實驗結果表明，本功率因數測量電路能測量并顯示出功率因數，誤差為0.002，符合基本要求不大于0.03，并優于該指標。

3.6 ?過流保護功能測試

用四位半萬用表測量輸出電流，通過調整負載使得輸出電流Io從0.2 A緩慢上升至保護動作電流，記錄當前的電流，通過測試，測得過流保護電流為2.54 A，符合基本要求動作電流為2.5 A±0.2 A，并優于該指標。

3.7 ?功率因數校正測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器的輸出電壓US=24 V，使得，用四位半萬用表測量輸出電流，通過調整負載，使得輸出電流Io=2 A，讀取當前功率因數值，通過測試，測得功率因數為0.997，符合發揮部分要求不低于0.98，并優于該指標。

3.8 ?AC?DC效率測試

用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，調整自耦變壓器的輸出電壓，使得US=24 V，用四位半萬用表測量輸出電流和輸出電壓，通過調整負載，使得Io=2 A，Uo=36 V輸出端為，實驗數據如表6所示。

表6 AC?DC效率

實驗結果表明，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，由[η=PoPS×100%]，得出AC?DC變換電路的效率為96.7%，優于發揮部分電路效率不低于95%的要求。

3.9 ?自動調整功率因數測試

在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，用數字式電參數測試儀測量輸入端的參數，通過按鍵設置功率因數，實驗數據如表7所示。

表7 自動調整功率因數測試

實驗數據表明，功率因數自動調整功能正常，誤差最大為0.01，符合發揮部分要求并優于該指標。

4 ?結 ?語

（1） 在輸入交流電壓US=24 V、輸出直流電流Io=2 A條件下，輸出直流電壓Uo=36.008 V;

（2） 當US=24 V，Io在0.2～2.0 A范圍內變化時，負載調整率為0.02%;

（3） 當Io=2 A，US在20～30 V范圍內變化時，電壓調整率為0.028%;

（4） 設計并制作功率因數測量電路，實現AC?DC變換電路輸入側功率因數的測量，測量誤差絕對值最大為0.02;

（5） 具有輸出過流保護功能，動作電流為2.54 A;

（6） 實現功率因數校正，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，AC?DC變換電路交流輸入側功率因數為0.999;

（7） 在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V條件下，AC?DC變換電路效率為96.7%;

（8） 能夠根據設定自動調整功率因數，功率因數調整范圍為0.8～1.0，穩態誤差絕對值為0.02。

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