UCC28019詳細計算參數(shù)

1、第三屆“藍電”杯電子設計競賽單相AC-DC變換電路（A題） 湖北工業(yè)大學藍電中心童劍 李杰 費愷2014年3月6日 摘要本設計以STM32單片機為控制器，采用了TI公司的UCC28019芯片，搭建了一個單相AC-DC變換電路。本系統(tǒng)由變壓器模塊、AC-DC變換電路、功率因數(shù)檢測電路、功率因數(shù)調整電路和電流檢測電路等組成。在實驗裝置的電源電路中，對電源的輸出直流電壓、直流電流和電源的功率因數(shù)進行了測量，并通過鍵盤對電源的輸出直流電壓進行設定。實驗結果表明，當電源的進線交流電壓和負載電流，在比較寬的范圍內變化的時候，電源的輸出電壓能夠保持較高的穩(wěn)定性；具有過流和過壓的保護功能。利用UCC28019

2、功率因數(shù)校正功能，將電源裝置的功率因數(shù)提高到了0.98以上，并能夠將功率因數(shù)在0.8-1.0之間調整，達到了預期的目標。關鍵詞：STM32單片機、UCC28019、AC-DC變換、功率因數(shù)。 目 錄一藍電杯題目.4二方案論證與比較-62.1 PFC模塊-.62.2單片機控制電路.62.3顯示模塊.62.4功率因數(shù)測量電路子系統(tǒng)電路.62.5電路保護模塊.72.6直流電源供電模塊.8三理論分析與計算-93.1功率因數(shù)測量方法-9 3.2提高效率的方法及實現(xiàn)方案.9 3.3系統(tǒng)整體框圖.-10四功率因數(shù)主回路-.10五 控制電路與程序控制.12 5.1程序的設計 .125.2程序的流程圖.125.

3、3過流保護電路.13六測試方案與測試結果.146.1測試方案.146.2 測試條件與儀器.146.3測試結果及分析.15附錄一：高功率因數(shù)原理附錄二：UCC28019外圍電路計算附錄三：作品實物一藍電杯題目 系統(tǒng)總框圖設計并制作如圖所示的單相AC-DC變換電路。輸出直流電壓穩(wěn)定在36V，輸出電流額定值為2A。2.1.基本要求 （1）在輸入交流電壓Us=24V、輸出直流電流Io=2A 條件下，使輸出直流電壓Uo=36V±0.1V。 （2）當Us=24V，Io 在0.2A2.0A 范圍內變化時，負載調整率SI 0.5%。 （3）當Io=2A，Us 在20V30V 范圍內變化時，電壓調整率

4、SU 0.5%。 （4）設計并制作功率因數(shù)測量電路，實現(xiàn)AC-DC 變換電路輸入側功率因數(shù)的測量，測量誤差絕對值不大于0.03。 （5）具有輸出過流保護功能，動作電流為2.5A±0.2A。2.2.發(fā)揮部分 （1）實現(xiàn)功率因數(shù)校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 條件下，使AC-DC 變換電路交流輸入側功率因數(shù)不低于0.98。 （2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 條件下，使AC-DC 變換電路效率不低于95%。 （3）能夠根據(jù)設定自動調整功率因數(shù)，功率因數(shù)調整范圍不小于0.801.00，穩(wěn)態(tài)誤差絕對值不大于0.03 二.方案論證與比較2.1 PFC模塊 方案一：采

5、用無源PFC電路。無源PFC電路不使用晶體管等有源器件，而是由二極 管、電阻、電容和電感等無源元件組成。采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達到0.70.8。 方案二：采用有源PFC電路，有源PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小， 可以達到很高的功率因數(shù)，基本可以達到98%以上，但成本要高出無源PFC一些。本電路采用是UCC28019芯片。UCC28019的VINS采集整流后的電壓，通過ISENSE端口采集電流來跟蹤采集的電壓，減小失真度。VSENSE端口檢測反饋電壓，在內部進行比較，從GATE端口輸出電壓，來驅動MO

6、SFET開關管工作，而且內部具有過壓過流保護功能。該芯片具有較強功率因數(shù)矯正功能，使用該芯片能使輸入的電壓、電流的信號的相位差大大減小，功率因數(shù)可以提高到0.98以上，從而提高電路有功功率。通過比較兩種方案，方案二能夠更好的實現(xiàn)高功率因數(shù)電路的控制要求，故采用方案二。2.2單片機控制電路方案一：采用通俗的51單片機，51單片機運用廣泛，有良好的知識做基礎，上手快，但是單片機內部不含ADC，電路需要外接A/D轉換電路實現(xiàn)其功能。方案二：系統(tǒng)采用stm32f103作為控制芯片，stm32f103內部有豐富的資源，6個8位并行口其中有兩個有中斷功能，12位的ADC，強大的定時器，大容量的RAM和RO

7、M。Stm32單片機最大的特色就是超低功耗，適合低功耗的應用場合。比較兩種方案，方案二單片機系統(tǒng)更為強大，處理數(shù)據(jù)能力更強，所以選擇方案二。Stm32顯著特點1、ARM最新的Cortex-M3內核。優(yōu)先級搶占的中斷控制器，支持中斷自動嵌套，硬件完成現(xiàn)場保護與恢復，中斷嵌套時，只需保護和恢復一次現(xiàn)場，即使在恢復現(xiàn)場的時候再次中斷也不需要再次保護現(xiàn)場，只需6個clk的調整時間。2、居然只需7個濾波電容就能構成最小系統(tǒng)3、外設的引腳居然可以重影射4、RAM居然可以通過位綁定技術按位來訪問5、居然裝備了可編程的掉電監(jiān)測器6、居然有帶電池供電的數(shù)據(jù)備份寄存器7、芯片進入低功耗模式后可以通過“事件”喚醒，

8、而無須執(zhí)行中斷子程序8、定時器居然有前置的倍頻器9、2個12位的AD卻擁有高達1M的采樣速率，AD模式更是天花亂墜，傳說中的注入模式10、GPIO刷新速率可設定，支持位的原子操作，還能鎖定方向，居然還有個腳叫“入侵檢測引腳”，發(fā)生“入侵”時硬件自動記錄時間，只要有后備電池。為西門子保留了單脈沖的輸出功能（據(jù)說用于PLC的）11、原來還有一種狗叫模擬看門狗12、可檢測PWM脈寬和頻率（硬件直接支持）13、集成電機控制和霍爾接口14、原來還有一種狗叫窗口看門狗過早或過晚喂狗，狗都會讓系統(tǒng)復位15、還集成了第三只狗，獨立看門狗，這種狗比較常見16、SPI還帶硬件的CRC校驗高達18Mb/s的通訊速度

9、17、支持兩個設備地址的I2C總線，據(jù)說任天堂的游戲機常用到這種功能，I2C同時支持SMBUS2.0和PMBUS模式18、USART速度高達4.5Mbps，不僅支持IrDA還與接觸式的IC卡協(xié)議兼容2.3顯示模塊方案一：數(shù)碼管內部通過二極管的明滅來進行顯示數(shù)字，采用4個共陰極數(shù)碼管作為功率因數(shù)測量顯示部分，數(shù)碼管操作簡單，執(zhí)行效率高，價格低方案二：液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領

10、域。 比較兩種方案，由于數(shù)碼管顯示字符有限沒能滿足我們要求，我們組選用市場上面通用LCD1602。LCD1602是字符型液晶，顯示字母和數(shù)字比較方便，控制簡單，成本較低等特點.2.4功率因數(shù)測量電路子系統(tǒng)電路在 LM393 的輸入端加了兩個IN4108穩(wěn)壓二極管將輸入信號控制在 -0.7V+0.7之間，經過零比較器將正弦信號轉變成方波；用觸發(fā)器CD4013去除高頻信號，濾除諧波干擾；通過2個施密特整形觸發(fā)器，得到TTL方波信號。送入單片機進行分析處理。原理圖如圖2所示：圖22.5電路保護模塊繼電器驅動接口電路如圖3所示，如果輸入信號為低電平，三極管的基極就會被拉低而產生足夠的基極電流，使三極管

11、導通，繼電器就會得電吸合，從而斷電保護。繼電器的輸出端并聯(lián)100的電阻和6800pF的電容，目的是避免繼電器吸合與釋放期間產生火花。每個繼電器都有一對常開常閉的觸點，便于在其他電路中使用，繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管是起到吸收反向電動勢的功能，保護相應的驅動三極管，這種繼電器驅動方式硬件結構比較簡單。圖32.6直流電源供電模塊采用78系列和79系列芯片，可以將變壓器輸出的電壓轉換為各個模塊的所需的穩(wěn)定直流電源供電，提供穩(wěn)定的12V，5V，3V3，-5V。電路如圖4圖43.理論分析與計算3.1功率因數(shù)測量方法對于功率因數(shù)調整的方法，如圖所示，我們通過設定一個合適的電壓值，使得電壓達到該值后，電

12、流才能跟蹤電壓。從而改變開關管的開關占空比，可達到調整功率因數(shù)的目的。功率因數(shù)說明：在假設變壓器副邊電壓U2為標準正弦波條件下，功率因數(shù)的計算公式為：式中：U2、I2分別為變壓器副邊的電壓、電流有效值，I21為I2中的基波分量，為U2和I21之間的相位差。為計算簡單，就用U2、I2之間相位差的余弦作為功率因數(shù)。3.2提高效率的方法及實現(xiàn)方案該系統(tǒng)內部的損耗主要集中在LC濾波電路、隔離變壓器、開關管等器件，因此，做好這些的吸收緩沖和正確的參數(shù)選擇是提高次系統(tǒng)效率的有效途徑。實現(xiàn)方案是：（1） 在開關管D,S兩極間加RC吸收緩沖回路。合理的吸收緩沖回路不但降低了功率器件的浪涌電壓和浪涌電流，而且還

13、降低了器件的開關損耗和電磁干擾，避免的器件的二次擊穿。（2） 加粗導線，加大主回路電流容量。（3） 選擇導通電阻小的開關管，減少開關管的導通損耗。（4）減小濾波電感的附加損耗，繞制電感用漆包線盡量增大其線徑。 3.3系統(tǒng)整體框圖 4功率因數(shù)主回路 UCC28109芯片介紹：UCC28019是一款8引腳的連續(xù)導電模式（CCM）控制器，該器件具有寬泛的通用輸入范圍，適用于100W至2kW以上的功率變換器。有源功率因數(shù)校正控制器UCC28019使用Boost拓撲結構，工作于電流連續(xù)導電模式。欠壓鎖定期間的啟動電流低于200uA。用戶可以通過調整VSENSE腳的電壓低于0.77V而使系統(tǒng)工作于低功耗待

14、機模式。該控制器不需要檢測電網(wǎng)電壓，利用平均電流控制模式可以實現(xiàn)輸入電流較低的波形畸變，大大減少了元器件數(shù)量。簡單的外圍電路非常便于對電壓環(huán)和電流環(huán)進行靈活的補償設計。開關頻率可以控制在±5%的精度，可以為外部開關管提供快速1.5A峰值柵極驅動電流。該控制器具有許多系統(tǒng)級的保護功能，主要包括峰值電流限制，軟過電流保護，開環(huán)檢測，輸入掉電保護，輸出過壓、欠壓保護，過載保護，軟啟動，芯片內部將柵極驅動電壓箝位于12.5V等。(1) UCC28019的特點連續(xù)導電模式控制器UCC28019具有以下特點： 不需要對電網(wǎng)電壓進行檢測，減少了外圍元器件 寬范圍的通用交流輸入電壓 65kHz的固定

15、開關頻率 最大占空比達97% 輸出過壓、欠壓保護，輸入掉電保護 單周峰值電流限制 開環(huán)保護 低功耗待機模式(2) UCC28019引腳說明UCC28019采用8-Lead PDIP和8-Lead SOIC兩種封裝形式，其引腳排列如圖5所示，引腳功能介紹如下GND GATE ICOMP VCCISENSE VSENSEVINS VCOMP12348765圖5 UCC28019的引腳排列（SOIC-8、PDIP-8）表2.1 UCC28019引腳功能說明引腳號引腳符號引腳功能1GND芯片接地端2ICOMP電流環(huán)路補償，跨導電流放大器輸出端，引腳的工作電壓高于0.6V3ISENSE電感電流檢測。該管

16、腳通過對電流檢測電阻外接一220電阻可以有效抑制浪涌電流的涌入4VINS交流輸入電壓檢測。當系統(tǒng)交流輸入電壓高于用戶定義的正常工作電壓或低于掉電保護電壓時，輸入掉電保護（IBOP）動作5VCOMP電壓環(huán)路補償。該引腳經過外部阻容電路接地，構成電壓環(huán)路補償器6VSENSE輸出電壓檢測。Boost PFC變換器的直流輸入電壓經過電阻分壓器采樣后接入該引腳，為了濾除高頻噪聲干擾，該引腳對地外接一個小電容7VCC芯片工作電源。為防止高頻噪聲對電源的干擾，通常該管腳對地外接一個0.1uF的陶瓷電容，并且盡量靠近UCC28019芯片8GATE柵極驅動。推挽式柵極驅動，可以驅動外部一個或多個功率MOSFET

17、，提供1.52.0A電流驅動 附錄三為UCC28019芯片的內部框圖及應用電路。整流后的輸入電壓經過電阻RVINS1和RVINS2分壓，送入VINS端，通過ISENSE端采集到的電流信號來跟蹤VINS采集到的電壓。通電后，振蕩器開始振蕩，輸出65KHz定時脈沖進入RS寄存器，與其他各路控制信號共同決定GATE端輸出的驅動脈沖，控制MOSFET開關管工作。5控制電路與程序控制 5.1程序的設計 1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)顯示功能。顯示部分：顯示功率因數(shù)。2、程序設計思路系統(tǒng)軟件控制功率因數(shù)測量部分的側相電路工作。上電后，系統(tǒng)進行初始化，然后調用取樣子程序，檢測當前電壓電流的相位

18、差，根據(jù)測量公式顯示功率因數(shù)。 5.2程序的流程圖5.3過流保護電路本系統(tǒng)采用單片機通過A/D實時監(jiān)控輸入電壓和輸出電流的值，在輸出電流上升到I=(2.5A0.2A)時啟動控制程序切斷繼電器使電路開路。從而實現(xiàn)輸出過流保護功能。6測試方案與測試結果 6.1測試方案6.1.1硬件測試：（1）負載調整率的測試方法：在輸入電壓調為24V，輸出電壓設置為36V的條件下，調節(jié)負載電阻使輸出電流在0.2A2.0A范圍內變化，測量輸出電壓，分別記為和，則負載調整率（）100%，即為負載調整率。（2）電壓調整率的測試方法：調節(jié)負載當輸出電壓達到穩(wěn)定值36V時，使輸出電流為2A。調節(jié)調壓器，使整流電路輸入電壓分

19、別在2030V范圍內變化，測量這兩種情況下輸出電壓，分別記為和，則電壓調整率S1（）36100%，即為電壓調整率。（3）功率因數(shù)的測量：通過調節(jié)負載，輸出不同電流值的情況下，用示波器的探頭夾在鑒相的輸出點，測量波形的占空比D，即可計算功率因數(shù) ，與液晶顯示的功率因數(shù)PF1比較計算誤差。（4）電路效率測量： AC/DC電路效率,其中,6.2 測試條件與儀器6.2.1測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。 6.3測試結果及分析6.3.1測試結果(數(shù)據(jù)) （1）當輸入交流電壓Us為24V，負載電流為2A時，將輸出電壓穩(wěn)定在36V 測量結果如

20、表1（:誤差參考電壓U=36V0.1V）表1 測量輸出電壓（采用安捷倫五位半數(shù)字萬用表測試）Us(V)Io(A)(V)誤差24236000 (2) 在輸入電壓調為24V，輸出電壓設置為36V的條件下，調節(jié)負載電阻使輸出電流在0.2A2.0A范圍內變化時，測量輸出電壓。表2 負載調整率（采用安捷倫五位半數(shù)字萬用表測試）Us(V)Io(A) (V)誤差240.236.080.25%242.035.987(3) 在輸入電壓調為24V，輸出電壓設置為36V的條件下，。調節(jié)調壓器，使整流電路輸入電壓分別在2030V范圍內變化時，測量這兩種情況下輸出電壓。表3電壓調整率（采用安捷倫五位半數(shù)字萬用表測試）U

21、s(V) (V)誤差2035.930.47%3036.14.3.2測試分析與結論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結論：1、該電源輸出的直流電壓能夠保持較高的穩(wěn)定性；2、該電源具有良好的電壓調整率和負載調整率；3、該系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正，可改善電源輸入功率因數(shù)，電源交流輸入功率因數(shù)達到0.89以上；4、電源具有過流保護功能。綜上所述，本設計達到設計要求。附錄二一：高功率因數(shù)原理圖附錄二：UCC28019芯片原理附錄三主電路參數(shù)計算:1涉及中，首先確定峰值電流Iin_peak，者可根據(jù)電源的效率=0.92和要求達到的功率因數(shù)PF=0.95來計算。2整流二極管的計算，根據(jù)Iin_avg的大小來

22、確定使用的元器件，這里選用RS606整流橋堆。3輸入電容（Cin）的計算，這個電容量很小主要是濾除整流輸出電壓中的高頻部分，通過計算出允許的紋波電流值Iripple級紋波電壓值Vin_ripple(max),可以得到輸入電容Cin的最大值，我們將Iin_peak(max)的20%作為紋波電流Iripple，電壓紋波系數(shù)6%，根據(jù)UCC28019資料可以，F(xiàn)sw=64KHz為最好狀態(tài)；計算過程如下。將Iripple和Vin_ripple(max)代入下式即可得到4升壓電感（Lbst）的計算，起到儲能的作用；按照占空比D=0.5可以計算出斬波電感的最小取值。5輸出濾波電容（Cout）的計算，該電容

23、的選擇主要滿足輸出電壓保持時間；但要求在保持時間Iholdup=1/fline(min)內，開關電源輸出電壓不低于30V時，這輸出濾波電容容量按下式計算。6反向快速恢復二極管（Dbst）的計算，承受的重復峰值反向擊穿電壓平均正向電流，反向恢復時間和熱考慮，為減少功率開關的損耗，但選擇超快恢復二極管，開關損耗可以忽略不急，可根據(jù)功耗及恢復時間來選擇相應的元件，按照二極管壓降Vf=1.5V，Iout=2A來計算，二極管功耗為P=3W，我們選擇HEF307.7功率開關元件的計算，主要依據(jù)升壓電壓，傳遞的功率等參數(shù)，損耗主要有兩種：導通損耗和開關損耗，其中導通損耗計算公式。 開關損耗,其中Fsw=65

24、KHz,T=4.5ns,Coss=780pf;總功耗=4.2W如果選擇MOFET，則需滿足上述的損耗要求，而且可行的開關速度可以超過120MHz，因此選擇IRF540N8取樣電阻（Rsense）的計算，主要是對電感電流進行電流進行取樣；考慮到軟件過流保護的下限Vsoc=0.66V級電感峰值電流的最大取值，取樣電阻Rsense的計算如下9 Rsense1的計算為使器件避免由于瞬時峰值電流的損害，用一個Rsense=220和電阻與Isense引腳串聯(lián)，同時在該引腳處于地線之間接一只1000pf的電容Csinse，以改善抗干擾性能。10Rfb1的計算，為了使電源功耗盡可能小及使反饋電壓誤差最小，反饋電阻Rfb1=1M，Rfb2按下式計算：，實際取值Rfb=160K，另外還需要在Vsense引腳