基于UCC28019的高功率因數電源的設計

劉 青,徐 赟

（鐘山職業技術學院，江蘇南京，210049）

基于UCC28019的高功率因數電源的設計

劉 青,徐 赟

（鐘山職業技術學院，江蘇南京，210049）

該系統采用 TI 公司專用PFC整流控制芯片 UCC28019 作為控制核心，構成電壓外環和電流內環的雙環控制，構建了有源功率因數校正（PFC）的高功率因數整流電源。其中，電流內環作用是使網側交流輸入電流跟蹤電網電壓的波形與相位；電壓外環為輸出直流電壓控制環，外環電壓調節器的輸出控制內環電流調節器的增益，使輸出直流電壓穩定。系統通過IAP15F2K61S2單片機控制模塊實現系統功率因數、輸出電壓、電流的實時測量、人機交互、輸出過流保護等功能。實際測試表明，該系統電路中的功率因數高于0.98，檢測誤差絕對值小于2%。

UCC28019； PFC；單片機

0 引言

電源設備在性能上一直在不斷追求功率因數高、效率高、噪音低、且電磁兼容（EMC）合格。作為高性能電源功率模塊，單相AC-DC變換器通過輸入電流的高次諧波，提高電源輸入功率因數、較好地抑制不可控整流、減小無功功率對電網的諧波污染，使電源設備很好地滿足國家及行業相關標準，且可靠性高、一致性好，越來越得到人們更多的重視。本文就是基于采用TI公司開發的專用APFC芯片UCC28019。該芯片振蕩頻率為65KHZ，為了提高振蕩頻率的穩定性，避免外界干擾，振蕩頻率由內部固定。該芯片輸出PWM波最大占空比97%，，最大輸出電壓12.5V，可直接驅動MOSEFT ，8腳灌電流（峰值電流）2.0A，拉電流（峰值電流）1.5A。另外，該芯片還具有輸入過流、輸入過壓、欠壓等多種保護功能，用在BOOST電路中能很好地進行有源功率因數校正，被校正電路功率因數趨近于1，完全滿足系統設計的要求。

1 硬件設計方案

系統可分為功率因數調節（PFC）部分、數據采集部分、鍵盤與顯示等部分。數據采集部分包括功率因數監測和輸出電壓、電流檢測，功率因數調節部分負責提高系統的功率因數，鍵盤與顯示則提供人機交互方式。當監測電流值大于2.5A時，系統過流保護動作。系統框圖如下圖1所示：

圖1 系統框圖

系統主電路原理圖設計如下圖2所示：

圖2 主電路原理圖

1.1 功率因素校正電路

功率因素校正電路主要采用美國TI公司提供的有源功率因素校正（PFC）芯片UCC28019，該芯片通過平均電流模式進行對功率因素的校正，振蕩頻率由內部固定為65KHZ，且具有眾多系統保護功能，適用于較寬范圍的通用交流輸入，100W至2kW輸出功率的功率因素變換器。

根據UCC28019芯片工作原理可知，其輸出的PWM波占空比是根據電壓環路的反饋電壓輸入到VSENSE腳與+5V基準電壓比較，經差分放大后改變PWM斜坡的斜率進行調節的。則可知系統穩定狀態時該引腳的電壓一定是5V，根據該特性可以利用電阻的分壓比，利用D/A轉換器通過設定最低的電壓來控制最終的輸出，從而達到數字設定輸出值的目的。D/A轉換器采用TI公司16位數模轉換器DAC8811即可。

根據TI公司官網上設計軟件，輸入數據可得到外圍電路的一系列參數，電路設計如上圖2所示。

1.2 單片機控制模塊

本系統設計時選用STC公司的IAP15F2K61S2單片機芯片作為核心控制模塊，完成功率因數等參數的測量及顯示。該芯片運算速度比普通8051快8-12倍，內置8路10位模數轉換器，內存容量大，是一款不需外部晶振、不需外部復位的單片機，一個芯片就是一個仿真器，是全球第一款真正意義上的單片機。

1.3 主回路器件選擇及參數

由于UCC28019輸出PWM波，可以直接驅動開關管的通斷，所以最終系統主回路只包括Boost電路。

（1）開關場效應管及肖特基二極管的選擇

在MOS管導通時，電流流過MOS管，肖特基二極管承受反向電壓；在MOS管關斷時，電流流過肖特基二極管，MOS管承受正向電壓。考慮到系統開啟等一系列動作帶來的沖擊效應，二者應滿足IDmax(I0)≥16A，UDSS(Umm) ≥72V。

（2）電感參數計算

脈動電流與平均電流之比m取0.25。

（3）電容的參數計算

△UO為負載電壓變化量，為增強高頻響應，可以采用在輸出端并聯多個無級吸收的方式，以減少毛刺。

2 軟件設計方案

采用STC公司的IAP15F2K61S2單片機芯片作為主控芯片，對硬件電路的相關參數進行測量。對于功率因素等相關參數的測量，我們采用霍爾和互感器為主要檢測器件的硬件檢測電路得到相關數據，通過A/D 轉換送入單片機內進行軟件算法處理，最終得到想要的數據送到液晶顯示。系統軟件主程序流程圖如下圖3所示：

3 性能測試

表1 性能測試數據表

測試說明：負載采用100Ω/3A規格的可調滑線變阻器；測電壓調整率時，保持輸出電流為1.2A，通過調節滑線變阻器，來改變輸入電壓，檢測輸出負載電壓的變化情況；測負載調整率時，保持輸入電壓為24V，通過調節滑線變阻器，來改變輸出電流，檢測輸出負載電壓的變化情況；測輸入功率因數時，使系統工作在額定狀態，輸入電壓和電流為正弦波，采樣電阻串聯在交流輸入端，測出系統輸入電流與電壓波形的相位差，計算出U0、I0之間相位差的余弦cos，即系統的功率因數。

圖3 主程序流程圖

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，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，功率因數可高達99%。

4 結束語

測試結果顯示，該系統功率因數高達98%以上，穩定性好，并且較好的完成了功率因數的檢測顯示。本系統是采用了雙閉環來提高系統的性能，一是輸出電壓控制環，通過反饋網絡穩定輸出電壓；二是電流控制環，通過對輸入電流的檢測來實行電流波形優化。通過這些功能簡化了實際硬件的電路設計，而且能達到很好的效果。

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劉青，碩士研究生，鐘山職業技術學院副教授，研究方向為測控技術、電子信息技術。

徐赟，碩士，鐘山職業技術學院高級實驗師，研究方向為電子技術、計算機應用。

圖1 潛油電泵實時監測系統運行效果圖

2 結果與分析

本文講解了在基于VC++6.0的開發環境下，通過多線程技術，成功完成了潛油電泵監測系統的實時處理。潛油電泵下位機通過單片機從TXD端以十六進制的形式將數據發送到上位機，即潛油電泵實時監測系統。該系統對接收到的溫度壓力等相關數據進行分析、處理以及實時顯示波形，從而實現了對井下參數的實時觀測。成功實現了51單片機與PC機之間的串口通信及圖形的產生。潛油電泵監測系統部分數據及圖形顯示如圖1所示。

3 總結

本文利用多線程技術實現對數據的采集保存及實時顯示，程序的編寫自由靈活、可移植性強、穩定性好且可靠性強。順利實現了對潛油電泵設備井下工況的實時監測，從而使得該設備的運行更具可靠穩定性，方便對設備的自動化控制。

參考文獻作者簡介

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師阿香，女，1988年生，在讀碩士，主要研究方向為自動化儀器儀表。

Design of high power factor power supply based on UCC28019

Liu Qing,Xu Yun
（Zhongshan College of Vocation and Technology,Jiangsu Nanjing,210049）

The system uses TI PFC rectifier control chip UCC28019 as the control core, which constitutes the dual loop control of voltage outer loop and current loop, and the active power factor correction (PFC) is constructed. The current inner loop is to make the input current of the network side AC input current and phase of the grid voltage. The output voltage is controlled by the output DC voltage. System through the IAP15F2K61S2 microcontroller control module to achieve system power factor, output voltage, real-time measurement of current, human-computer interaction, the output flow protection and other functions. The practical tests show that the power factor of the system is higher than 0.98, and the detection error is less than 2%.

UCC28019; PFC; single chip microcomputer

TM46

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