全国大学生电子设计竞赛单相ACDC变换电路A题文档格式.docx
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4.4测试结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
五、结论与心得体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
附录1总电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
附录2元器件清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
附录3程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
单相AC-DC变换电路（A题）
【本科组】
一、设计任务
设计并制作如图1所示的单相AC-DC变换电路。
输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A。
图1单相AC-DC变换电路原理框图
1.1基本要求
（1）在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A条件下，使输出直流电压Uo=36V±
0.1V。
（2）当Us=24V，Io在0.2A～2.0A范围内变化时，负载调整率SI≤0.5%。
（3）当Io=2A，Us在20V～30V范围内变化时，电压调整率SU≤0.5%。
（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，测量误差绝对值不大于0.03。
（5）具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A±
0.2A。
1.2发挥部分
（1）实现功率因数校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路交流输入侧功率因数不低于0.98。
（2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路效率不低于95%。
（3）能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围不小于0.80~1.00，稳态误差绝对值不大于0.03。
（4）其他。
二、方案论证与比较
2.1AC-DC整流电路的选择
（1）全桥整流。
该电路由四个二极管以及LC滤波元件构成。
变压器绕组结构简单，二极管电压低。
但是二极管数量多，总通态损耗大。
（2）半桥整流。
该电路由两个二极管以及LC滤波元件构成。
元件总数少，结构简单，总通态损耗小。
但是二极管电压高，变压器绕组需要中心抽头。
本题中变压器无中心抽头，只能选择方案
（1）。
2.2DC-DC主回路拓扑的选择
（1）Buck-Boost型电路。
既能降压也能升压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动大，结构简单，只需要一只开关管。
输出空载时，会产生很高的电压造成电路中元器件的损坏，故不能空载工作。
（2）前级Boost，后级Buck。
将升降压的功能分成两个模块，使用的元器件数量较多，损耗也相对较大。
但是这种方案有利于AC/DC变换器功率因数的调整。
（3）单级Boost电路。
方案简单，驱动方便，效率较高。
但是由于任务要求输入电压
为AC20~30V范围内变化时，输出直流电压稳定在36V，因此使用单级Boost电路有可能不能满足要求。
不过在重载条件下，整流后电压下降较大，经实验验证效果较好。
选择方案（3）。
2.3处理器的选择
（1）采用STC12C5A16S2单片机。
STC12C5A16S2单片机是台湾宏晶公司2010年推出的新一代抗干扰，高速，高可靠性，低功耗的微控制器，其编程语言完全兼容传统8051单片机。
（2）采用ATmega16单片机。
ATmega16单片机是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
片内具有16K可编程Flash，8路10位ADC，四通道PWM，功能强大，开发成本低。
在同样的晶振频率下，方案
（2）有更高的性能和更低的功耗，因此可以降低运行频率以减少对电路的电磁干扰。
因此选用方案
（2）。
2.4反馈稳压方案选择
使用单片机ATmega16实时检测输出电压，由于输出电压与PWM波的占空比成正比，若测得的电压高于8V，则减小占空比；
反之，则增加占空比。
设置一个阈值电压差e，当前电压差小于e时不进行调节，从而避免反复调节造成电压波动。
2.5过流保护方案选择
采用硬件实现过流保护。
将一个动作电流为2.5A的自恢复保险丝串联在输出回路中。
电流未达到动作电流时，其电阻很小，造成的功率损耗也较小；
当电流过大时其电阻急剧上升，以减小电流，防止造成负载损坏。
2.6功率因数测量方案选择
（1）以过零点相位比较法为代表的直接测量法。
其主要依靠硬件装置来实现计算，受硬件本身的影响较大，并且由于谐波和干扰的存在，过零点的准确度难以保证。
其测量框图如图2。
（2）以谐波分析法为代表的软件检测分析方法。
其根据谐波分析得到的i和u的正弦波形参数，求得
，继而求得
。
这种方法有较好的抗干扰性和稳定性，还可以同时计算电网中电流、电压及其各次谐波的值，从而为功率因数调节提供监控的依据。
图2功率因数测量方案
2.7功率因数调整（PFC）方案选择
（1）无源PFC方案。
采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波，以满足要求，其特点是简单，但体积庞大、笨重，而且调整后的功率因数只能达到0.7~0.8左右。
（2）有源PFC方案。
在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，具有体积小、重量轻的特点，可以达到较高的功率因数（通常可达0.98以上），但成本也相对较高。
具体实现方法有以下几种：
a.采用DSP和Boost电路实现：
通过DSP编程控制完成系统的功率因数调整。
通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量以及材料、装配的成本；
但是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。
b.如图3，采用UC3854和Boost电路实现：
UC3854是一种平均电流型的升压型有源功率因数校正电路。
使用专用IC芯片，无须编程，简单直接；
但是电路的外围器件很多，调试困难。
c.采用UC28019和Boost电路实现：
UCC28019也是一种平均电流型的功率因数校正芯片。
该芯片使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1%，实现了接近于1的功率因数，外围器件相对b较少。
以上三种方案只有方案（2a）可实现发挥部分“能够根据设定自动调整功率因数”的要求，但是其算法在短时间内实现难度较大。
图3功率因数调整方案框图
2.8系统框图
由于时间仓促，系统仅实现了要求中的部分功能。
上交作品的系统结构框图如图4。
图4系统框图
三、理论分析与计算
3.1提高效率的方法
系统的损耗分为三部分：
传输损耗、开关损耗及其他损耗。
为了提高效率，可以采取如下措施：
（1）降低开关频率。
开关频率过高，开关管的损耗将会很大；
开关频率过低，可能在运行中造成噪声干扰和输出电压纹波的增加。
本设计中将开关频率定为31.25kHz。
（2）使用低导通电阻的开关管。
本设计采用采用N沟道功率MOSFETIRF3205作为开关管（导通电阻8
）。
（3）输入整流桥的损耗在低电压、大电流输出时，可占开关电源总功耗的10%以上。
降低整流桥的功耗，可以选择导通压降较低的整流桥。
（4）采用正向导通电压低、反向恢复时间极短的肖特基二极管。
本设计中采用MBR745，典型正向导通电压为0.57V（电流7.5A，温度125℃）。
（5）输出铝电解滤波电容器的等效串联电阻（ESR）应尽量低。
3.2功率因数调整（PFC）方法
如图5。
UC3854为电源提供有源功率因数校正，它能按正弦的电网电压来牵制非正弦的电流变化，该器件能最佳的利用供电电流使电网电流失真减到最小，执行所有PFC的功能。
图5UC3854的典型应用电路
由于该芯片的外围电路比较复杂，本次设计中并没有调试成功。
3.3稳压控制方法
根据电感电流连续工作模式（CCM）下Boost型电路输出电压、输入电压与占空比之间的公式
可得其输出电压可以通过PWM控制信号的占空比D来调整。
但如果电路工作在电感电流断续模式（DCM）下，则输出与输入的关系为
上式中，
为负载电阻；
为开关周期。
而Boost型电路电感电流连续的临界条件是
如想保证电路工作在CCM模式，对负载电阻R应该有一定限制。
此时若调节单片机输出PWM波的占空比，就能调节输出电压，从而达到稳压的目的。
具体地说，即单片机检测到输出电压大于36+eV，则降低占空比；
单片机检测到输出电压小于36-eV，则提高占空比（e为设定的输出电压误差阈值）。
若电路工作在DCM模式，在
、
不变的前提下，输出电压
仍与占空比
成正比，故上述调节方法仍可用。
3.4AC-DC主回路与器件选择
电路图如图6。
整流桥选择耐压1000V，最大电流10A的整流桥。
根据公式可计算整流后滤波电容
，
上式中，P为后级电路的输入功率；
Ud为电容上的平均电压。
单相全桥电路，T取0.01s，则
μF
为提高滤波效果，取两个100V，4700μF的电解电容和一个100V，2200μF的电解电容并联。
3.5DC-DC主回路与器件选择
如图6。
采用Boost型拓扑结构。
主电路采用N沟道功率MOSFETIRF3205作为开关管（导通电阻8
）；
采用高速功率MOSFET和IGBT驱动器IR2102作为PWM驱动芯片（驱动能力强，开启上升时间100ns，关断下降时间50ns）；
采用肖特基二极管MBR745作为续流二极管（反向耐压45V，最大电流3A），能很好地满足题目的要求。
图6AC-DC-DC主回路电路图
3.6控制电路
如图7，单片机模块由微控制器ATmega16最小系统和外部设备构成，实现对电压采样信号的处理以及稳压功能。
其中单片机的定时器产生占空比可调的PWM波形，输出给主电路驱动功率MOSFET完成对DC-DC变换器的控制；
电压采样信号经单片机内部10位ADC转换成数字信号，与人工设定的电压比对，从而进行相应的计算和调整。
图7单片机模块结构框图
3.7辅助电源
如图8，由于输入电压为AC20~30V，不能满足测控电路和单片机供电的需要，故需要外加辅助电源。
购买一块成品开关电源将AC220V转换成DC15V为运放和驱动芯片提供电源，之后外加一个自制的辅助电源模块（DC15V-DC5V）给单片机供电。
自制模块采用降压型开关稳压电源控制器LM2576，该芯片具有多种固定电压输出型号和可调电压输出型号，内置固定频率为52kHz的振荡器，电压转换效率高（可达77%到88%），输出电压的误差范围小（最大
4%），负载驱动能力大（最大3A）。
本设计中选用LM2576-12为集成运放和PWM驱动芯片供电，选用LM2576-5为单片机供电。
LM2576外围电路的元器件取值参考该芯片的数据手册。
图8辅助电源电路图
3.8电压测控电路
如图9。
电压测控采用100kΩ和10kΩ的电阻分压，输出电压理论上是0~3.27V，可以送入单片机的ADC进行采样。
在电压采样电路的前端串接一个电压跟随器，保证阻抗匹配，减小单片机电路对主回路的影响，提高采样精度。
图9电压测控电路图
3.9软件与程序设计
总流程图如图10，具体的程序见附录3。
图10程序总流程图
四、测试结果与误差分析
4.1测试仪器
RIGOLDM3051数字多用表
RIGOLDS1102E双通道数字示波器
SUINGSS3225可跟踪直流稳定电源
4.2测试方案
测试框图如图11，按照题目要求对被测量进行测量并记录结果。
图11测试框图
4.3测试数据
（1）输出稳压测试
保持其他条件不变，在输入交流电压
、输出直流电流
条件下，测量直流输出电压
测试三次，如表1所示。
表1输出稳压测试数据
序号
直流输出电压
/V
1
35.84
2
35.90
3
35.87
（2）负载调整率测试
保持其他条件不变，使
在0.2A~2.0A范围内调节，测量直流输出电压
，如表2所示。
表2负载调整率测试数据
直流输出电流
/A
0.2
36.78
0.5
36.50
1.0
36.15
4
1.5
36.04
5
2.0
35.80
（3）电压调整率测试
保持其他条件不变，当
在20V~30V范围内调节，测量测量直流输出电压
，如表3所示。
表3电压调整率测试数据
交流输入电压
20
35.32
25
36.02
30
（4）过流保护功能测试（见表4）
表4过流保护功能测试数据
动作电流
2.52
2.60
2.58
（5）AC-DC变换电路效率测试（见表5）
表5AC-DC变换电路效率测试数据
/W
/VA
35.92
1.998
71.77
24.10
3.62
87.24
4.4测试结果分析
（1）输出稳压测试结果分析
在测试条件下，直流输出电压
在三次测量中均保持在36V±
0.2V内。
基本满足要求
（1）。
（2）负载调整率测试结果分析
在测试条件下，根据负载调整率的计算公式，可以得到
（3）电压调整率测试结果分析
在测试条件下，根据电压调整率的计算公式，可以得到
（4）过流保护功能测试结果分析
在测试条件下，系统具有过流保护功能，且三次测试的动作电流满足基本要求（5）。
（6）AC-DC变换电路效率测试结果分析
在测试条件下，AC-DC变换电路效率可以由下式计算
五、结论与心得体会
本系统以AVRATmega16单片机为控制核心，结合MOS管驱动器IR2102，低导通电阻功率MOSFETIRF3205制作了一台具有自动稳压功能的AC-DC变换装置，较好地完成了基本要求。
硬件方面，测试时发现系统工作时电感的发热量较高，可能是由于电感为手工绕制，缺少绕线工具造成电感线圈有较大损耗；
同时如果使用了UC3854将会提高系统的功率因数至接近1。
软件方面，若能采用PID控制理论可以进一步提高控制效率，减小过渡时间。
四天三夜的电子设计竞赛告一段落。
虽然我们的作品并不完善，还有很多可以提高的空间，但是在竞赛的参与过程中得到的知识和经验会让我们受益良多。
参考文献
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[4]林云，管春.电力电子技术[M].北京：
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清华大学出版社，2012
[8]老杨，李鹏举.AVR单片机工程师是怎样炼成的[M].北京：
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[11]ATMEL.ATmega16数据手册[Z].2003
附录1总电路图
附录2元器件清单
Name
Description
Designator
Quantity
Value
IR2102
U1
Inductor
L1
400uH
Bridge1
FullWaveDiodeBridge
D1
1N4148
HighConductanceFastDiode
D2
IRF3205
N-ChannelMOSFET
Q1
CapPol
PolarizedCapacitor
C3,C4
10uF
Cap
Capacitor
C1,C2
0.1uF
MBR745
DefaultDiode
D3
C7,C8,C9
4700uF
C5,C6
2200uF
C10
Res2
Resistor
R6,R7
10K,100K
LM358
U2
CapPol1
C11
100uF
C12
1000uF
SchottkyDiode
L2
LM2576-5V
U3
LCD1602
LiquidCrystalDisplay
Atmega16MinSystem
Including8Mcrystal
附录3程序
/******************************************************************************/
/*Name:
电子设计电源题功能：
稳压，电路保护功能*/
/*Designedby:
胡车，蒋睿，张佩小组Date:
2013/9/521:
09*/
/*开发环境:
ICCAVR*/
/*PD0确定键，PD1增加键，PD2菜单键，PD7减小键，PD5输出PWM波，PD6接继电器*/
/*PA0~PA2液晶控制，PB口液晶数据口，PA5采样电压输入，PA6采样电流输入*/
#include<
iom16v.h>
macros.h>
#include"
1602.h"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineGet_Bit（val,bitn）（val&
（1<
<
（bitn）））
uintaddata;
uintrec=1;
ucharflag=1;
//进入按键中断
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