单相AC-DC变换电路定稿.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛 （题） 【组】 2013年9月7日单相 AC-DC 变换电路 摘要 本设计旨在完成一种宽泛交流输入（20V-30V），恒压直流（36V）0.5%，功率因数调整可达99%，功率因数测量误差低于0.02，稳态误差绝对值不大于0.03，但受到单片机输出PWM波频率及后级恒流恒压电路的影响，电路变换效率偏低，除此之外，整体电路的其它性能指标优良，可以满足了题目的设计要求。 关键词：AC-AC,BOOST升压电路，功率因数 一、 系统设计方案论证 本系统主要由AC-AC变换电路，开关电源BOOST升压电路,功率因数检测电路，功率因数校正电路等几个部分构成，系统框图如图1所示： 图 1 系统框图 下面就各关键模块的设计实现方案进行论证与分析 1、AC-AC变换电路 交流输入可调交流输出电路主要有可控硅桥式可控整流方式与利用自耦变压器实现两种方式。可控硅整流方式具有可调输出范围广，调节精度高等优点，但是，经整流后，信号畸变严重，且输出信号与可控硅导通角度之间存在着非线性关系，必须有主控芯片回踩控制，增加了硬件电路成本，提高了系统电路设计的复杂性。自耦变压器可调输出的方式虽然可调输出精度低，但是输出波形基本无失真，且使用方便，题目要求提及可以使用自耦变压器，所以本设计选择自耦调压输出的方案。 2、Boost升压电路 Boost变换器也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。Boost集成芯片种类很多，功能强大，很多自带功率因数校正，但是在交流20V-30V输入的范围内，一般Boost集成芯片正常的输入电压在18V-24V之间，不能满足题目的要求，而且其功率因数校正控制电路由内部集成，无法实现根据设定调整功率因数功能。自主设计Boost升压电路需自己产生PWM波，并通过采 样电路回测输出电压，交由主控芯片根据反馈信号调节输出PWM波，硬件电路设计及调试相对复杂，但可实现宽电压输入范围内的恒压输出，也可实现PFC的自主设定调整，可以满足题目设计的需求，因此，本设计选择自主设计Boost升压电路的方案。 3、功率因数检测电路 系统电路的功率因数测量主要有两种方式：一、通过搭建电路，采样获取负载的有功功率和无功功率，再用勾股定理或三角函数计算功率因数完成。二、通过搭建电路，分别获取电压和电流的相位，功率因数就是电压与电流相位差φ的余弦函数 图 2主回路框图 2、控制电路与控制程序 控制程序主要由平均采样反馈输出电压，实时调节PWM输出，有源补偿功率因数校正，D/A输出控制恒流转恒压几部分构成，程序控制框图如图3所示。 控制电路由过零比较电路，电流、电压采样电路，功率因数测量电路，Boost升压电路，恒流转恒压电路几部分构成。主体电路如图4,图5所图3程序控制框图 图4 Boost升压电路 图5功率因数检测电路 图6恒流转恒压电路 3、保护电路 保护电路由过流保护电路和过压保护电路两部分构成，其电路图如图4所示，过压保护电路如图5所示 图 6过流保护电路 图 7过压保护电路 四、测试方案与测试结果 1、测试方案及测试条件 测试主要采用了独立模块调试——逐级调试——系统联调——整体性能测试的方案， 测试主要在电工电子实验中心完成，电工电子实验中心现拥有示波器、函数发生器、稳压电源和万用表等主要测试设备，以及模拟100MHz示波器、泰克数字示波器、波形发生器等一批专业电子仪器，及单片机、DSP、ARM嵌入式系统、EDA等开发设备 0.2A 0.8A 1.4A 2A 输出电压（U0） 36.07V 35.99V 35.97V 36.00V 负载调整率 0.27% 表（3） 电压调整率测试 输出电流/A 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 输入电压/V 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 输出电压/V 35.98 36.02 36.04 36.05 36.04 36.07 电压调整率 0.25% 表（4）过流保护测试 次数 1 2 3 4 5 6 断电电流/A 2.5 2.4 2.5 2.5 2.5 2.4 表（5）功率因数测试 偏移角度 9 5 7 8 功率因数 0.987 0.996 0.993 0.989