单相AC?DC变换电路设计及试验

薛秀云+宋淑然+吕永青+郑逸生

摘  要： 该单相AC?DC变换电路以有源功率因数控制器UCC28019为核心，STM32F103做主控芯片，采用主控芯片片上DAC调节UCC28019电压误差放大器反馈端，控制输出电压稳定输出;设计功率因数测量电路、输出保护电路、功率因数调整电路等电路模块。经测试，系统输入电压为24 V时，输出2 A电流时可稳定输出36 V电压，负载调整率为0.02%，电压调整率为0.028%，功率因数测量最大误差为0.02，过流保护动作电流为2.54 A，交流输入侧功率因数校正后最高达99.9%，转换效率达96.7%，功率因数在0.8～1.0稳定可调。

关键词： AC?DC变换; 功率因数校正;  UCC28019; 拓扑结构

中图分类号： TN710?34                   文献标识码： A                            文章编号： 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

程控恒流电源在仪器仪表中有着广泛的应用，如，测试领域中组成自动测量仪器，给各类传感器恒流供电以对过程变量进行检测等[1?3]，是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台，在实际工程中也有广泛的用途，是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备[4]。随着电子技术的发展，恒流源已经广泛地应用在各个领域中。

电源技术的发展进一步推动了测量技术的发展，仪器仪表的性能要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。由于双积分式积分器对积分及元件时钟频率的精度要求不高，且能得到较高的测量精度，因而在数字电压表以及多种电子仪器中得到了广泛应用[5?7]。本文将介绍一种利用单片机PID算法实现闭环控制的程控电源电路，可产生1～20 A的恒流输出，和0～5 V的恒压输出，同时可通过串口输入或按键输入设定恒流/恒压模式的切换和设定相应的值，电路中采取了双斜积分进行实时测量。

1  理论分析与计算

1.1  功率因数测量

在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦值叫做功率因数，通过检测输入侧的交流电压的零相位时间点[t1]和交流电流的零相位时间点[t2]，由公式[cos ωt1-t2]，即可得出功率因数，并通过单片机用LCD屏显示。使用交流电流互感器及交流电压互感器可准确地隔离获取交流电压及电流信号，将电压、电流信号调整后经过零比较器即可得到具有相位差的电压、电流方波信号，使用STM32F103信号捕获功能可准确捕获并计算出电压信号与电流信号之间的相位差，即可准确测量输入交流侧功率因数。

1.2  提高效率的方法

（1） 为提高电路电能转换效率，本系统使用LT4320与4个N沟道场效应管IRF3205组成交流同步整流桥，IRF3205导通电阻Rds仅为0.008 Ω，电流2 A时单管导通功耗仅为0.032 W，相对于二极管整流桥整流，使用N沟道场效应管同步整流效率提高了76%以上。

（2） Boost拓扑电路开关管选用低导通电阻的NMOS管IRF3205，IRF3205的导通电阻Rds仅为0.008 Ω，设输入侧平均电流[IDS-RMS=3.4  A]，因此其导通功耗为[PCOND=IDS-RMS2·RDS-ON=3.4×0.008=][0.092 5  W]，由于UCC28019工作频率固定为65 kHz，因此，IRF3205开关损耗功耗[PSW=0.059  7  W]。

1.3  UCC28019功率因数校正电路参数选择

本系统使用UCC28019专用功率因数校正芯片组成BOOST拓扑结构功率因数校正电路。该芯片开关频率固定为65 kHz，具有峰值电流限制、软过流保护、开环检测、输入掉电保护、输入过压/欠压保护等功能，使用TLC2272组成电压跟随器对UCC28019反馈端进行控制，对输出电压进行微调，电路最终稳定输出36 V，最大输出电流峰值为3 A。

1.4  稳压控制方法

将输出端利用减法电路进行采样，由STM32F103内部ADC实时读取当前输出电压值，通过软件PID算法运算后由DAC输出调整电压输入到UCC28019的电压误差放大器输入端，调节SPWM波的输出占空比实时调节输出电压，使其稳定输出Uo=36 V±0.1 V，Io=2 A。

2  电路与程序设计

2.1  主回路与器件选择

本系统使用LT4320与4个N沟道场效应管IRF3205组成交流同步整流桥，使用UCC28019专用功率因数校正芯片组成BOOST拓扑结构功率因数校正电路，同时实现AC?DC变换电路和功率因数校正电路，系统总体方案如图1所示。

2.2  控制电路与控制程序

2.2.1  控制电路

图2为控制电路框图，开关电源控制电路如图2所示，开关控制器为UCC28019，LT4320为同步整流控制器。使用UCC28019专用功率因数控制器组成Boost拓扑结构AC?DC稳压电路，STM32F103通过DAC调节由TLC2272组成的减法电路来调整输出电压，使电路稳定输出36 V;使用LT4320与N沟道场效应管组成同步整流电路，提高电路工作效率。

2.2.2  控制程序

图3为软件控制流程图，STM32F103利用外部搭建的基准电压作为参考电压，基准电压为2.046 9 V，通过内部ADC检测电流检测模块、电压检测模块的实时输出电压，通过换算，在LCD屏上显示当前输出电流及电压值;通过检测输入电压的零相位时间t1和输入电流零相位时间t2，得出当前相位差φ1，加上相位补偿值φ0，得出功率因数为[cosφ1+φ0];功率因数通过外部矩阵键盘键入预设定值，STM32F103通过读取该值，利用内部DAC输出相应的控制电压，再通过PID算法使输出功率因数保持稳定;过流保护由外部硬件电路触发单片机的中断，单片机通过控制继电器将AC?DC电路的输入全面切断，实现过流保护。

2.2.3  调压电路

调压电路采用减法电路为主架构，精准选配的电阻网络，使电路输出电压仅有3～5 mV的误差，把输出端接入APFC控制器UC28019电压误差放大器的反馈端，便在输入0～3 V的范围内系统的输出电压可精确控制为Uo=36 V±0.1 V。调压的分辨率为：

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

2.2.4  过流保护电路

过流保护电路采用宽共模电压的电压输出电流并联监控器INA283，使输出电流流过采样电阻RSHUT，当输出电流为2.5 A时，采样电阻两端的电压经INA283放大后输出2.5 V的电压，通过调整比较器负端的电压，使比较器输出高电平触发单片机中断，单片机控制继电器将AC?DC变换电路输入断开，从而实现过流保护功能。

2.3  外部基准电压

本系统使用LM4040和3 V纽扣电池组成零电压波动外部独立基准电源，输出电压为2.048 V，误差仅为0.1%，使用独立电池供电可提高基准电压的稳定性及精准度，实际测量模块输出电压为2.046 9 V，相对误差为0.054%。使用STM32F103片上ADC对基准电压进行采样，并对片上ADC及DAC基准电压进行修正。

3  测试方案与测试结果

3.1  测试条件

测试地点为实验室，室内温度为25 ℃，测试仪器如表1所示。

表1 测试仪器

3.2  输出电压测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压，使得US=24 V，用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载，使得输出电流Io=2 A，用四位半万用表测量此时的输出电压，实验数据见表2。

表2 输出电压误差测试

实验结果表明，在输入交流电压，输出直流电流IO=2 A，Uo=36.008 V的条件下，模块AC?DC直流输出电压为Uo=36.008 V，符合基本要求的Uo=36 V±0.1 V的要求并且优于该指标。

3.3  负载调整率测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调节自耦变压器使得输入交流电压US=24 V，通过调整负载，使得Io在0.2～2.0 A范围内变化，使用四位半万用表测量此时的输出电压，实验数据见表3。

实验结果表明，在输出直流电流Io=0.20 A时的输出电压Uo1=36.016 V，在输出直流电流Io=2.0 A时的输出电压Uo2=36.008 V，通过代入负载调整率公式[SI=Uo2-Uo1Uo1×100%]，得出负载调整率SI=0.02%，符合并优于基本要求的SI[?]0.5%负载调整率。

表3 负载调整率测试

3.4  电压调整率测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整负载，使得输出电流Io=2.0 A，通过调整自耦变压器的输出电压US在20～30 V范围内变化，使用四位半万用表测量此时的输出电压，实验数据见表4。

实验结果表明，在输入交流电压为US=20.0 V，时的输出电压为Uo1=39.96 V，在输入交流电压US=30.0 V时的输出电压为Uo2=35.97 V，通过代入电压调整率公式[SU=Uo2-Uo136×100%]，得出电压调整率为SU=0.028%，符合基本要求的电压调整率[SU?0.5%]，并且优于该指标。

3.5  功率因数测量测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器使得输入交流电压US=24 V，调整负载，使得输出直流电流Io=2.0 A，使用LCD屏显示当前单片机计算得出的功率因数，实验数据如表5。

表4 电压调整率测试

表5 功率因数测量测试

实验结果表明，本功率因数测量电路能测量并显示出功率因数，误差为0.002，符合基本要求不大于0.03，并优于该指标。

3.6  过流保护功能测试

用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载使得输出电流Io从0.2 A缓慢上升至保护动作电流，记录当前的电流，通过测试，测得过流保护电流为2.54 A，符合基本要求动作电流为2.5 A±0.2 A，并优于该指标。

3.7  功率因数校正测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压US=24 V，使得，用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载，使得输出电流Io=2 A，读取当前功率因数值，通过测试，测得功率因数为0.997，符合发挥部分要求不低于0.98，并优于该指标。

3.8  AC?DC效率测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压，使得US=24 V，用四位半万用表测量输出电流和输出电压，通过调整负载，使得Io=2 A，Uo=36 V输出端为，实验数据如表6所示。

表6 AC?DC效率

实验结果表明，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，由[η=PoPS×100%]，得出AC?DC变换电路的效率为96.7%，优于发挥部分电路效率不低于95%的要求。

3.9  自动调整功率因数测试

在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，通过按键设置功率因数，实验数据如表7所示。

表7 自动调整功率因数测试

实验数据表明，功率因数自动调整功能正常，误差最大为0.01，符合发挥部分要求并优于该指标。

4  结  语

（1） 在输入交流电压US=24 V、输出直流电流Io=2 A条件下，输出直流电压Uo=36.008 V;

（2） 当US=24 V，Io在0.2～2.0 A范围内变化时，负载调整率为0.02%;

（3） 当Io=2 A，US在20～30 V范围内变化时，电压调整率为0.028%;

（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，测量误差绝对值最大为0.02;

（5） 具有输出过流保护功能，动作电流为2.54 A;

（6） 实现功率因数校正，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，AC?DC变换电路交流输入侧功率因数为0.999;

（7） 在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，AC?DC变换电路效率为96.7%;

（8） 能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围为0.8～1.0，稳态误差绝对值为0.02。

参考文献

[1] 雷卫军，李言俊.星上DC/DC变换器国内外研究现状[J].宇航学报，2007，28（6）：1452?1455.

[2] PRESSMAN A I， BILLINGS K， MOREY T. Switching power supply design [M]. 3rd ed. 北京：电子工业出版社，2011.

[3] 郭新民，金虎，栾静.高频开关电源电磁干扰及其抑制方法[J].电子工程，2011（3）：25?28.

[4] 高玉峰，胡旭杰，陈涛，等.开关电源模块并联均流系统的研究[J].电源技术，2011（2）：210?212.

[5] 孙道宗，王卫星，蚁静缄.光伏并网模拟发电装置的设计与试验[J].电源技术，2011（10）：1252?1254.

[6] 张慧涛，黄先进，叶斌.基于电流控制型芯片的多路输出反激式开关电源设计[J].通信电源技术，2007，24（1）：27?29.

[7] 徐春雨，丁耀根，苏小保，等.星载TWTA用EPC磁隔离反馈的研究[J].电力电子技术，2008，42（6）：69?71.

[8] 胡志强，王改云，王远.多路单端反激式开关电源设计[J].现代电子技术，2013，36（14）：162?165.

[9] 房雪莲.基于UC3845的非隔离反激式输出可调开关电源设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：174?177.

[10] 赵卫.开关电源的过流保护电路[J].电子科技，2011，24（6）：116?117.

表3 负载调整率测试

3.4  电压调整率测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整负载，使得输出电流Io=2.0 A，通过调整自耦变压器的输出电压US在20～30 V范围内变化，使用四位半万用表测量此时的输出电压，实验数据见表4。

实验结果表明，在输入交流电压为US=20.0 V，时的输出电压为Uo1=39.96 V，在输入交流电压US=30.0 V时的输出电压为Uo2=35.97 V，通过代入电压调整率公式[SU=Uo2-Uo136×100%]，得出电压调整率为SU=0.028%，符合基本要求的电压调整率[SU?0.5%]，并且优于该指标。

3.5  功率因数测量测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器使得输入交流电压US=24 V，调整负载，使得输出直流电流Io=2.0 A，使用LCD屏显示当前单片机计算得出的功率因数，实验数据如表5。

表4 电压调整率测试

表5 功率因数测量测试

实验结果表明，本功率因数测量电路能测量并显示出功率因数，误差为0.002，符合基本要求不大于0.03，并优于该指标。

3.6  过流保护功能测试

用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载使得输出电流Io从0.2 A缓慢上升至保护动作电流，记录当前的电流，通过测试，测得过流保护电流为2.54 A，符合基本要求动作电流为2.5 A±0.2 A，并优于该指标。

3.7  功率因数校正测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压US=24 V，使得，用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载，使得输出电流Io=2 A，读取当前功率因数值，通过测试，测得功率因数为0.997，符合发挥部分要求不低于0.98，并优于该指标。

3.8  AC?DC效率测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压，使得US=24 V，用四位半万用表测量输出电流和输出电压，通过调整负载，使得Io=2 A，Uo=36 V输出端为，实验数据如表6所示。

表6 AC?DC效率

实验结果表明，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，由[η=PoPS×100%]，得出AC?DC变换电路的效率为96.7%，优于发挥部分电路效率不低于95%的要求。

3.9  自动调整功率因数测试

在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，通过按键设置功率因数，实验数据如表7所示。

表7 自动调整功率因数测试

实验数据表明，功率因数自动调整功能正常，误差最大为0.01，符合发挥部分要求并优于该指标。

4  结  语

（1） 在输入交流电压US=24 V、输出直流电流Io=2 A条件下，输出直流电压Uo=36.008 V;

（2） 当US=24 V，Io在0.2～2.0 A范围内变化时，负载调整率为0.02%;

（3） 当Io=2 A，US在20～30 V范围内变化时，电压调整率为0.028%;

（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，测量误差绝对值最大为0.02;

（5） 具有输出过流保护功能，动作电流为2.54 A;

（6） 实现功率因数校正，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，AC?DC变换电路交流输入侧功率因数为0.999;

（7） 在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，AC?DC变换电路效率为96.7%;

（8） 能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围为0.8～1.0，稳态误差绝对值为0.02。

参考文献

[1] 雷卫军，李言俊.星上DC/DC变换器国内外研究现状[J].宇航学报，2007，28（6）：1452?1455.

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[9] 房雪莲.基于UC3845的非隔离反激式输出可调开关电源设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：174?177.

[10] 赵卫.开关电源的过流保护电路[J].电子科技，2011，24（6）：116?117.

表3 负载调整率测试

3.4  电压调整率测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整负载，使得输出电流Io=2.0 A，通过调整自耦变压器的输出电压US在20～30 V范围内变化，使用四位半万用表测量此时的输出电压，实验数据见表4。

实验结果表明，在输入交流电压为US=20.0 V，时的输出电压为Uo1=39.96 V，在输入交流电压US=30.0 V时的输出电压为Uo2=35.97 V，通过代入电压调整率公式[SU=Uo2-Uo136×100%]，得出电压调整率为SU=0.028%，符合基本要求的电压调整率[SU?0.5%]，并且优于该指标。

3.5  功率因数测量测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器使得输入交流电压US=24 V，调整负载，使得输出直流电流Io=2.0 A，使用LCD屏显示当前单片机计算得出的功率因数，实验数据如表5。

表4 电压调整率测试

表5 功率因数测量测试

实验结果表明，本功率因数测量电路能测量并显示出功率因数，误差为0.002，符合基本要求不大于0.03，并优于该指标。

3.6  过流保护功能测试

用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载使得输出电流Io从0.2 A缓慢上升至保护动作电流，记录当前的电流，通过测试，测得过流保护电流为2.54 A，符合基本要求动作电流为2.5 A±0.2 A，并优于该指标。

3.7  功率因数校正测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压US=24 V，使得，用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载，使得输出电流Io=2 A，读取当前功率因数值，通过测试，测得功率因数为0.997，符合发挥部分要求不低于0.98，并优于该指标。

3.8  AC?DC效率测试

用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压，使得US=24 V，用四位半万用表测量输出电流和输出电压，通过调整负载，使得Io=2 A，Uo=36 V输出端为，实验数据如表6所示。

表6 AC?DC效率

实验结果表明，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，由[η=PoPS×100%]，得出AC?DC变换电路的效率为96.7%，优于发挥部分电路效率不低于95%的要求。

3.9  自动调整功率因数测试

在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，通过按键设置功率因数，实验数据如表7所示。

表7 自动调整功率因数测试

实验数据表明，功率因数自动调整功能正常，误差最大为0.01，符合发挥部分要求并优于该指标。

4  结  语

（1） 在输入交流电压US=24 V、输出直流电流Io=2 A条件下，输出直流电压Uo=36.008 V;

（2） 当US=24 V，Io在0.2～2.0 A范围内变化时，负载调整率为0.02%;

（3） 当Io=2 A，US在20～30 V范围内变化时，电压调整率为0.028%;

（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，测量误差绝对值最大为0.02;

（5） 具有输出过流保护功能，动作电流为2.54 A;

（6） 实现功率因数校正，在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，AC?DC变换电路交流输入侧功率因数为0.999;

（7） 在US=24 V，Io=2 A，Uo=36 V条件下，AC?DC变换电路效率为96.7%;

（8） 能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围为0.8～1.0，稳态误差绝对值为0.02。

参考文献

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[5] 孙道宗，王卫星，蚁静缄.光伏并网模拟发电装置的设计与试验[J].电源技术，2011（10）：1252?1254.

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[8] 胡志强，王改云，王远.多路单端反激式开关电源设计[J].现代电子技术，2013，36（14）：162?165.

[9] 房雪莲.基于UC3845的非隔离反激式输出可调开关电源设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：174?177.

[10] 赵卫.开关电源的过流保护电路[J].电子科技，2011，24（6）：116?117.