基于單片機的AC?DC變換電路設(shè)計

摘" 要： 傳統(tǒng)的AC?DC變換電路由于要通過高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換，存在效率較低、電源的波紋很難降低等問題。因此，設(shè)計一種以單片機為核心控制器件的新型單相AC?DC變換電路。單相AC?DC變換電路設(shè)計結(jié)合BOOST開關(guān)器、輸入負反饋和脈沖寬度調(diào)制，采用單片機輔助控制相結(jié)合的方式實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證輸出的穩(wěn)定和高效。該電路包括全波橋式整流電路、BOOST開關(guān)器、電壓反饋電路、電流采樣電路和功率因數(shù)測量電路，通過負反饋控制UC3845芯片來改變PWM控制信號，從而調(diào)整BOOST開關(guān)器開關(guān)的通斷，使輸出電壓穩(wěn)定在36 V。單相AC?DC變換電路具有PFC功能，可通過LCD將實時的PF值進行檢測，顯示輸出電流、輸出電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。另外，在輸出端設(shè)計了過流保護報警功能，該設(shè)計選取STC51單片機系列中的89C52RC芯片作為控制核心，結(jié)合電流電壓檢測共同來實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，實測負載調(diào)整率為0.28%，電壓調(diào)整率為0.28%，功率因數(shù)為0.91，說明所設(shè)計電路優(yōu)于傳統(tǒng)的AC?DC變換電路，具有轉(zhuǎn)換率高的特點。

關(guān)鍵詞： 單片機； AC?DC變換； BOOST開關(guān)器； 功率因數(shù)； 過流保護； 脈沖寬度調(diào)制； 負反饋

中圖分類號： TN43?34； TM72" " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）22?0025?05

Design of AC?DC conversion circuit based on single chip microcomputer

Abstract： As the traditional AC?DC conversion circuit needs to realize the voltage conversion by means of the high-frequency transformer， there are problems such as low efficiency and difficult to reduce the power ripple. A new single?phase AC?DC converter circuit with single chip microcomputer as the core control device is designed. In the design of single?phase AC?DC converter circuit， BOOST switch， input negative feedback and pulse width modulation are combined， and the single chip microcomputer auxiliary control is used to realize closed?loop control and maintain the output stability and high efficiency. The circuit includes full wave bridge rectifier circuit， BOOST switch， voltage feedback circuit， current sampling circuit and power factor measurement circuit. By controlling the UC3845 chip with negative feedback， the PWM control signal is changed to adjust the on/off of the BOOST switch to stabilize the output voltage at 36 V. Single?phase AC?DC converter circuit has PFC function， can detect real?time PF value by LCD， display output current， output voltage， power factor and other data， and design over?current protection alarm function at the output end. In this design， 89C52RC chip in STC51 single chip microcomputer series is selected as the control core， and combined with current and voltage detection. The experimental results show that the measured load adjustment rate is 0.28%， the voltage adjustment rate is 0.28%， and the power factor is 0.91. It verifies that the design scheme is superior to the traditional AC?DC transformation circuit， and has the characteristics of high conversion rate.

Keywords： single chip microcomputer; AC?DC transformation; BOOST switch; power factor; over?current protection; pulse width modulation; negative feedback

0" 引" 言

日常生活生產(chǎn)中的許多電子設(shè)備電能供給需要直流電，因此交流變直流應(yīng)用非常廣泛[1]。大部分電子設(shè)備產(chǎn)品中需要加入AC?DC直流穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路，然而傳統(tǒng)的AC?DC變換電路由于要通過高頻變壓器來實現(xiàn)電壓變換，存在效率較低、電源的波紋很難降低等問題。隨著能源危機日漸加深，低功耗、高效率的開關(guān)電源研究已經(jīng)成為電源領(lǐng)域的重要課題[2]。到目前為止，單相AC?DC變換器具有如下幾種類型：

1） 有橋結(jié)構(gòu)和無橋結(jié)構(gòu)[3]，單級結(jié)構(gòu)與多級交錯結(jié)構(gòu)[4]；

2） PID控制、比例諧振（Proportion Resonant， PR）控制、準PR控制與單周期控制等[5]；

3） 直接電感電流檢測與電感電流測算[6]；

4） 采用分流電阻測流和電壓互感器測流[7]；

5） 兩電平結(jié)構(gòu)與三電平結(jié)構(gòu)[8]。

本文設(shè)計的單相AC?DC變換電路突破了基于變壓器的AC?DC變換技術(shù)，應(yīng)用單片機實現(xiàn)閉環(huán)控制，并且保證輸出的穩(wěn)定和高效；同時具有功率因數(shù)檢測和電路補償?shù)裙δ?，最大限度地提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，有效地降低了電源波紋。該設(shè)計為UC3845芯片的研究、軟開關(guān)技術(shù)以及功率因數(shù)校正技術(shù)的改進奠定了堅實的基礎(chǔ)[9]。

1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1" 設(shè)計目標

本文設(shè)計并制作一款單相AC?DC變換電路，其電路原理如圖1所示。

在輸入額定為[US]=24 V的交流電壓、輸出額定為[IO]=2 A的直流電流條件下，最終可以輸出[UO]=（36±0.1）V的直流電壓。當輸入[US]為24 V的交流電壓，輸出[IO]在0.2～2.0 A范圍內(nèi)，其負載調(diào)整率[SI]≤0.5%；輸出[IO]=2 A，[US]處于20～30 V的范圍內(nèi)，其電壓調(diào)整率[SU]≤0.5%。設(shè)計的功率因數(shù)測量電路可以實現(xiàn)輸入端功率因數(shù)的測量，使誤差絕對值≤0.03；且具有輸出過流保護功能，動作電流的范圍為（2.5±0.2）A。

1.2" 系統(tǒng)方案設(shè)計

單相AC?DC變換電路設(shè)計框圖如圖2所示，將自耦變壓器接在220 V交流電源上，輸出20～30 V的可調(diào)交流電壓；利用單片機模塊進行功率因數(shù)檢測并顯示測試結(jié)果；通過整流模塊將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓然后輸出；DC?DC模塊進行升壓[10]，以UC3845控制芯片為核心搭配BOOST實現(xiàn)升壓斬波[11]，結(jié)合恒壓電路與恒流電路，最終達到穩(wěn)定輸出36 V直流電壓的目的。

當輸出電壓有明顯波動時，電壓采樣電路會及時地將調(diào)整信號輸入由UC3845芯片構(gòu)成的反饋控制電路中，內(nèi)部時鐘比較電路產(chǎn)生PWM輸入BOOST開關(guān)器中，驅(qū)動芯片通過PWM來對BOOST開關(guān)器進行控制，最終完成電路的閉環(huán)控制。

1.3" 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.3.1" AC?DC主模塊電路

AC?DC主模塊電路原理圖如圖3所示，該模塊電路由整流模塊與BOOST升壓模塊兩部分組成，整流模塊將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓并輸出。該電路輸入的交流電壓[12]在20～30 V變動時，當開關(guān)管上加入高電平信號，開關(guān)管開關(guān)閉合，處于充電過程，流過電感的電流會不斷增加，電感中儲存了一部分能量；當開關(guān)管的負載電壓較低時，電路處于放電狀態(tài)，此時電感就與電容構(gòu)成了新的放電電路，電容電壓等于輸出端的電壓，再加上此時電感給電容充電，就導致電容兩端的電壓大于輸入端電壓，升壓過程完畢。這個過程不斷重復，就可以實現(xiàn)穩(wěn)定升壓的效果。

1.3.2" 負反饋模塊

根據(jù)圖3可知，負反饋是由取樣電阻、比較放大電路與PWM調(diào)制共同組成，電路使用UC3845芯片。該芯片具有比較放大與PWM調(diào)制的作用[13]，外接取樣電阻和輸出電容，可以按以下選擇。

1） 取樣電阻[14]?？梢愿鶕?jù)公式（1）確定這兩個電阻值。

2） 輸出電容。等效串聯(lián)電阻（ESR）的阻值約為24 Ω。

2" 系統(tǒng)程序設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)程序設(shè)計思路

系統(tǒng)硬件控制框圖如圖4所示。采用STC51單片機對電流采樣模塊采集到的輸入電流信號進行實時檢測，并與設(shè)計值進行比對；獲取反饋信號后對電路的通斷時間進行控制，以獲得穩(wěn)定的輸出信息；通過液晶顯示屏顯示輸入的交流電壓、輸入電流和功率因數(shù)[15]。

2.2" 系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)程序流程如圖5所示。接通電源后單片機開始工作，檢測電流是否過大，一旦電流過流，單片機就會使電路停止工作并且顯示電流的大小，經(jīng)設(shè)定等待時間后恢復。檢測到加入的輸入電流在額定范圍內(nèi)時，單片機通過D/A采樣來檢測電流、電壓信號，從而測量出功率因數(shù)大小，并在LCD顯示。

3" 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試方案見圖1，對該AC?DC變換電路的效率進行檢測，就需要測試輸入端和輸出端的電壓以及電流。

3.1" 輸出電壓測試

輸出電壓測試圖如圖6所示。調(diào)整自耦變壓器，令輸入[US]=24 V，用萬用表測量輸入電流[IS]，再調(diào)整負載使輸入[IO]=2 A的情況下，用萬用表測量輸出電壓[UO]，結(jié)果如表1所示。測得[UO]=36.1 V，符合要求[UO]=（36±0.1）V。

3.2" 負載調(diào)整率[SI]測試

負載調(diào)整率測試圖如圖7所示。當輸入[US=24 V]，輸出電流[IO]在0.2～2 A的范圍內(nèi)變化時，測量出在電流為0.2 A的輸出電壓[UO1]，以及電流分別為0.4 A、0.8 A、1.6 A和2 A時的輸出電壓[UO2]，根據(jù)以下公式：

計算出負載調(diào)整率[SI]。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2實驗結(jié)果顯示：在輸出直流電流[IO]=0.2 A時，輸出電壓[UO]=36.2 V；當輸出直流電流[IO]=2 A，此時的輸入電壓[UO]=36.1 V。根據(jù)公式（2）可知，負載調(diào)整率為0.28%，小于0.5%，滿足設(shè)計要求。本文進行多次數(shù)據(jù)測試，在表2中一一列出。

3.3" 電壓調(diào)整率[SU]測試

電壓調(diào)整率測試圖如圖8所示，圖中展示的是電壓調(diào)整率的測試過程，本文隨機選取兩組數(shù)據(jù)。在輸入交流電壓[US]=20 V時的輸出電壓[UO1]=36 V，在輸入交流電壓[US]=30 V時的輸出電壓[UO2]=36.1 V。

在輸出[IO=2 A]，輸入電壓在20～30 V范圍內(nèi)變化時，測量在輸入電壓為20 V的輸出電壓[UO1]，以及電壓分別為22 V、24 V、28 V和30 V時的輸出電壓[UO2]，根據(jù)以下公式：

計算出電壓調(diào)整率[SU]。實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

由式（3）可得電壓調(diào)整率為0.28%，小于0.5%，滿足設(shè)計要求。本文進行了多次數(shù)據(jù)測試，由表3可以得出，輸入電壓達到30 V，此時的電壓調(diào)整率達到峰值，[SU]=0.28%。

3.4" 功率因數(shù)檢測

在[IO=2 A]、[UO=36 V]、[US=24 V]的情況下，對輸入端的功率因數(shù)進行測量，結(jié)果如表4所示。由表4可知，該電路可以顯示出功率因數(shù)，并且功率因數(shù)的誤差值為0.01，滿足設(shè)計要求的小于等于0.03。

3.5" 效率檢測

在[IO=2 A]、[UO=36 V]、[US=24 V]的情況下，根據(jù)公式：

計算出電路的轉(zhuǎn)化效率。由[PO=UOIO]，[PS=ISUS]可以得出：

故本文設(shè)計最后達到的效率為94%。

3.6" 過流保護檢測

過流保護測量是指當輸出電流達到2.5 A時，保護功能開始工作。

3.7" 紋波檢測

進行紋波測試，紋波顧名思義就是電壓出現(xiàn)波動的一種現(xiàn)象，當電網(wǎng)中注入大量諧波時，容易造成網(wǎng)側(cè)電壓畸變，干擾其他設(shè)備，增加線路損耗[16]。

圖9、圖10所示為利用示波器來對電壓紋波進行測試而得到的紋波圖像。盡管本設(shè)計最后輸出的是直流電壓，但是也要選擇交流檔，使用帶寬限制功能選擇20 MHz帶寬限制，濾除高頻噪聲，利用FFT功能可以進行頻域分析。

測量時需要注意探頭地線夾，否則會影響到測量。紋波的計算公式為：

4" 結(jié)" 語

經(jīng)過測試驗證：在[US]=24 V、[IO]=2 A時，輸出直流電壓[UO]=36 V；在[US]=24 V，[IO]在0.2～2 A變化時，負載調(diào)整率為0.28%；當輸出[IO=2 A]，輸入電壓在20～30 V的范圍內(nèi)變化時，電壓調(diào)整率為0.28%。本設(shè)計實現(xiàn)了對輸入端功率因數(shù)的測量，誤差值為0.01；該設(shè)計具有過流保護功能，并且最后電路轉(zhuǎn)化效率為94%。

本文設(shè)計與傳統(tǒng)的基于變壓器的AC?DC變換技術(shù)相比，電路轉(zhuǎn)化效率有了明顯提升，而且電壓紋波有了明顯降低，解決了傳統(tǒng)變換電源無法提升效率這一難題。故基于單片機輔助控制最終實現(xiàn)閉環(huán)控制，以此來保持穩(wěn)定和高效輸出的AC?DC變換電路，是未來開關(guān)電源技術(shù)研究的方向。

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