基于UCC28019的功率因數(shù)校正實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

吳振宇　吳冀平　楊啟涯　辛全彬

摘要：基于有源功率因數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款高功率因數(shù)開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)具有自動(dòng)功率因數(shù)校正，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保護(hù)措施完善等優(yōu)勢(shì)。平臺(tái)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)以德州儀器公司的APFC芯片UCC28019為核心器件，采用電流內(nèi)環(huán)加電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制，保證了系統(tǒng)功率因數(shù)不低于0.95，采用電流電壓互感器采集信號(hào)相位，測(cè)量并實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)也可對(duì)異常輸出進(jìn)行繼電保護(hù)。電源系統(tǒng)采用BoosT升壓電路，在輸出36V/2A額定條件下效率不低于95%，采用良好的閉環(huán)反饋電路補(bǔ)償機(jī)制，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均不高于0.5%?？刂坪诵牟捎肍reescaIe的MC9S12義S128單片機(jī)，完成功率因數(shù)測(cè)量、電壓/電流的動(dòng)態(tài)測(cè)量、參數(shù)顯示、過流保護(hù)等功能。測(cè)試表明，整體系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；UCC28019；BOOsT；MC9S12XS128

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.014

1 系統(tǒng)方案

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由BOOST升壓電源模塊、功率因數(shù)采集模塊、單片機(jī)運(yùn)算模塊、功率因數(shù)校準(zhǔn)及設(shè)定模塊、電源模塊組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1，下面分別討論各模塊電路選用的基礎(chǔ)。

1.1 電源模塊

采用BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。該拓?fù)渚哂须娐泛?jiǎn)單、電源側(cè)電流波動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可讓學(xué)生充分體驗(yàn)開關(guān)升壓電路的技術(shù)特點(diǎn)和重要設(shè)計(jì)參數(shù)，了解電感手工制作過程。相比于推挽拓?fù)?，本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且更適用于小功率型電源。

1.2 功率因數(shù)采集模塊

本方案采用電流互感器、電壓互感器采集電流電壓相位信息，經(jīng)過放大等處理后由單片機(jī)算得相位差，進(jìn)而求解功率因數(shù)，與集成計(jì)量芯片ATT7053芯片方案相比較，本方案具有良好的電氣隔離性能、成本低，且對(duì)原電路影響小等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 功率因數(shù)校準(zhǔn)及設(shè)定模塊

UCC28019是德州儀器公司生產(chǎn)的專用功率因數(shù)校正芯片，芯片接口簡(jiǎn)潔，且具有自動(dòng)功率因數(shù)校正的功能，可完美與BOOST電路配合使用，完全解決了用軟件設(shè)定開關(guān)管關(guān)斷延遲而導(dǎo)致的不確定因素，提升了電路穩(wěn)定性。

2 電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 功率因數(shù)校正模塊設(shè)計(jì)

功率因數(shù)校正部分基于UCC28019設(shè)計(jì)，主要分為輸入繼電保護(hù)部分、BOOST電路功率變換部分、UCC28019周邊電路、IRF540功率MOS開關(guān)管及驅(qū)動(dòng)電路、輸出反饋電路。其中，繼保部分利用單片機(jī)檢測(cè)到的輸出電流電壓值控制繼電器開斷，對(duì)系統(tǒng)異常做出處理，設(shè)定為輸出電流大于2.5A保護(hù)；BOOST電路部分設(shè)計(jì)為輸出額定電壓36V，并且采用了二極管阻容電路對(duì)尖峰電壓進(jìn)行抑制：UCC28019周邊電路參考德州儀器給出的設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行修改；由于系統(tǒng)功率不超過100W，電流也較小，故采用MOS管進(jìn)行開斷，節(jié)約了開關(guān)驅(qū)動(dòng)部分成本，IRF540也具有導(dǎo)通阻抗小的優(yōu)勢(shì)，有利于提升系統(tǒng)的效率；反饋電路采用電阻分壓的方案，使用抗溫飄性能好的精密電阻，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，且設(shè)置電位器改變輸出電壓值以勝任不同需求。電路原理設(shè)計(jì)如圖2。

2.2 功率因數(shù)測(cè)量模塊及程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了功率因數(shù)測(cè)量單元，用于實(shí)時(shí)測(cè)定功率因數(shù)，同時(shí)判定是否需要發(fā)出繼電保護(hù)信號(hào)，功率因數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3。

功率因數(shù)采集單元安裝互感器測(cè)量電流電壓信號(hào)，用OP07及LM358構(gòu)成放大跟隨電路，互感器得出的信號(hào)可以放大到單片機(jī)內(nèi)部AD可以直接采集的大小，而后直接交由單片機(jī)處理。小信號(hào)處理部分原理圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

本系統(tǒng)采用Freescale的MC9S12XS128單片機(jī)，完成功率因數(shù)測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)電壓、電流等動(dòng)態(tài)參數(shù)顯示，同時(shí)通過測(cè)得電流值快速實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)等功能。采集及繼電保護(hù)軟件流程如圖5。

3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試方案

首先上電調(diào)試反饋電路使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，而后依次測(cè)試電路電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、效率等參數(shù)。測(cè)試前保證設(shè)定輸出電壓為36V，輸出電流為2A額定狀態(tài)，測(cè)量輸入電壓在20-30V間變化時(shí)的輸出電壓得出電壓調(diào)整率并計(jì)算效率，同時(shí)記錄系統(tǒng)功率因數(shù)。而后，調(diào)整輸出負(fù)載，使輸出電壓在0.2-2.5A間變化，測(cè)量輸出電壓變化，得出負(fù)載調(diào)整率，同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)在電流超過2.5A時(shí)是否可以自行保護(hù)。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。由數(shù)據(jù)得出系統(tǒng)電壓調(diào)整率不高于0.5%，負(fù)載調(diào)整率不高于0.5%，效率等參數(shù)不低于95%，功率因數(shù)不低于0.95?？蓪?shí)現(xiàn)過流保護(hù)，保護(hù)電流為2.5A。

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

綜上所述，本設(shè)計(jì)用BOOST升壓電路實(shí)現(xiàn)了功率因素測(cè)量與校正，滿足教學(xué)中關(guān)于功率因數(shù)校正問題實(shí)際驗(yàn)證的需求，體現(xiàn)功率因數(shù)校正的意義與方法。同時(shí)模塊還可應(yīng)用于BOOST電路的示教和設(shè)計(jì)教學(xué)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。