一种高功率因数单相AC―DC稳压电源的设计

一种高功率因数单相AC―DC稳压电源的设计
摘要：针对目前AC-DC稳压电源转换率、稳压效果不理想，提出了一种高功率因数单相AC-DC稳压电源设计方案。

以UCC28019芯片为校正核心实现有源功率因数校正，通过对BOOST主电路拓扑结构的升压电路的输入电流进行控制，使其达到与输入电压相位差为0，功率因数接近于1。

本设计以单片机为控制核心，通过按键设置输出电压给定值，实时比较输出电压实测值与给定值，自动调节PWM波形占空比，进而控制MOS管的关断频率使输出电压稳定。

Abstract：Aiming at the present AC-DC，the regulated power supply conversion rate and the regulated effect of it are not satisfied. This paper puts forward a kind of design scheme with high power factor single-phase AC-DC regulated power supply. The UCC28019 correction chip is the core of this design to realize the active power factor correction. In order to make the input current and the input voltage phase difference reach 0 and the power factor is close to 1，this paper uses the topology of BOOST circuit as main circuit to control the input current. At the same time，this design takes SCM as the core of the control to set up the output voltage by the button. Then，through
comparing the actual output voltage and the output voltage，the waveform of PWM will be automatically adjusted and the
cut-off frequency of MOS tube is controlled to ensure the stabilization of the output voltage.
关键词：UCC28019;高功率因数;BOOST电路;单片机
Key words：UCC28019;high power factor;BOOST circuit;SCM
0 引言
目前，充电器、适配器等各种精密仪器中AC-DC转换电源输出的直流电压精度不高，负载调整率也较低;同时，AD-DC电源电路的功率因数低，即使具有功率因数校正功能，其功率因数和稳定性也不是很理想，效率低，稳压效果不好，同时都不具有测量单元，不能实时监测各项参数。

1 系统设计方案
1.1 功率因数校正的方法
1.1.1 无源功率因数校正
交流电压通过整流桥整流后接入一个滤波电感，再与滤波电容连接，从而使输入的交流电流的导电宽度增加，使电流的冲击和波形畦变减小，进而减小了电流的谐波成分。

1.1.2 有源功率因数校正
有源功率因数校正是通过控制输入电流与输入电压的
相位差尽可能接近于0，使功率因数趋近于1，同时控制输
入电流的波形呈正弦波变化。

其方法主要分为平均电流型、滞后电流型、峰值电流型和电压控制型，其中，平均电流型和电压控制型均采用工作频率固定的模式，但前者的输入电流连续，而后者的电流不连续;滞后电流型和峰值电流型均采用工作频率变化的模式，峰值电流型的电流不连续，而滞后电流型的电流平均值由电感输入电流决定，当电流达到滞后带内功率开关的通断状态时，输入电流将会相应的上升或下降。

1.2 方案选择
一种高功率因数单相AC-DC稳压电源，以功率因数校正电路为核心，通过其他辅助电路使其功率因数接近于1。

目前，功率因数校正的方法一般是附加无源滤波附加器或通过有源功率校正芯片对电路的功率因数进行校正。

但是，无源功率因数校正电路的功率因数一般最高只能达到0.9，而采用有源功率校正芯片构成的功率因数校正电路，其功率因数能够达到0.95以上。

本设计针对高功率因数单相AD-DC 稳压电源的设计，提出以下三种方案。

方案一：51单片机可以输出精度足够的PWM波，PWM 波经过光电耦合驱动BOOST电路，使BOOST电路的MOS 管导通，从而达到升压的目的，自动调节的PWM波占空比可以使输出电压稳定;可以将PWM波等效电流正弦波，通过检测电流波过零点，强制使PWM波关断一定时间，从而使
电压波形和电流波形相位相似，近似于正弦波。

但此方案忽略了电流的实际波形不是正弦波，无法对电流进行过零点检测，从而无法修正功率因数。

方案二：C3854是一款工作于平均电流的PWM升压型高功率因数校正电路，其峰值开关电流近似等于输入电流，功率因数可以达到0.99以上。

采用BOOST+UC3854、单片机、功率因数测量模块、显示模块等组成高功率因数单相AC-DC稳压电源。

但UC3854芯片的管脚多，调试电路比较复杂，不易调试。

方案三：UCC28019是一种采用平均电流模式，且在连续工作模式下以固定频率工作的具有功率因数校正、软启动、欠/过压保护、过流保护、开路保护以及峰值电流限制等功能的控制芯片，功率因数达到0.99以上。

采用
BOOST+UCC28019，可以利用UCC28019内部产生的PWM 波驱动BOOST电路的MOS管，而且UCC28019芯片只有8个管脚，电路容易制作和实现功能。

综合上述，在方案一中，由于实际电流不是正弦波，无法对功率因数进行修正;在方案二中，UC3854芯片构成的功率因数校正电路比较复杂且不易调试;方案三不仅能够对功率因数进行校正，而且电路简单，容易制作，所以可以采用功率因数测量模块、过流保护模块、UCC28019功率因数校正模块、BOOST升压电路、单片机、显示模块等组成高功率因数AC-DC稳压电
源，并用单片机的PWM波驱动BOOST升压电路的MOS管，此方案的电路原理如图1所示。

1.3 方案的确定
此方案采用AC/DC变换电路实现自动稳压电源，主要以控制电路、单片机为核心，结合功率因数测量电路、整流、过流保护电路、UCC28019功率因数校正电路、BOOST升压电路、显示模块、按键模块、继电器模块组成。

交流电通过整流桥整流后，进行功率因数校正;BOOST升压电路的MOS 管由单片机输出的PWM波驱动，使闭环控制输出电压稳定;同时，单片机控制显示模块，显示输出电压的大小，通过按键设置输出电压后，单片机自动调整输出对应的PWM波，从而控制BOOST升压电路中MOS管的通断，进而控制输出电压稳定;输出电流反馈到单片机后，由单片机判断其是否超过保护电流，然后单片机给出相应的信号控制继电器动作，当输出电流超过保护电流时，单片机通过I/O口输出高电平，继电器KM得电吸合，使其常闭触点KM1断开。

1.4 功率因数校正电路
在交流电路中，电压与电流之间的相位差的余弦值即为功率因数，当其相位差为零时，其功率因数为1。

有源功率因数校正主要控制电流呈正弦波变化，且与输入电压之间的相位差尽可能接近0。

如图2所示，UCC28019芯片作为功率调整电路的核心，其VIN端对输入的交流电压进行检测，
减小失真，并通过电阻Rf手动调节输入电流的大小，使输入电压与输入电流的相位差尽可能接近0，从而使功率因数接近于1。

2 控制流程设计
此方案的核心之一是单片机，单片机实现AD采样、按键输入、屏幕显示、PWM波输出、过流分析控制继电器动作和功率因数测量信号输入等功能，通过按键键入输出电压给定值后，单片机控制显示屏显示给定电压值和当前实测功率因数;AD采样电路将采集到的输出电流通过单片机判断后，输出信号控制继电器动作，进而控制电源的通断。

单片机初始化完成后，显示屏显示给定电压值和当前实测功率因数;AD采样到的输出电流与保护电流比较，当输出电流超过保护电流时，单片机输出高电平，继电器得电吸合，其常闭触点KM1断开;当输出电流未超过保护电流时，AD
采样的输出电压和给定电压值进行比较，自动调节PWM波，当输出电压比设置的输出电压大时，PWM减小，当输出电压比设置的输出电压小时，PWM增大。

3 测试结果
通过测试，本设计在输入电压为24V的情况下，输出电压在范围内变化，最大输出电流可以达到2A，工作效率高于94.5%，其功率因数大于0.95;实验结果表明，功率因数校正芯片UCC28019和BOOST升压电路可以实现高功率因数
单相AC-DC稳压电源的设计。

4 结论
AC-DC稳压电源的应用越来越广泛，高功率因数稳压电源能够减少稳压电源对电网的污染，提高系统的可靠性。

本设计针对目前AC-DC稳压电源转换率、稳压效果不理想，提出了一种高功率因数单相AC-DC稳压电源设计方案。

本方案采用有源功率因数校正，可以通过按键设定输出电压的大小，通过AD采样电路将输出电压信号送给单片机，单片机通过比较输出电压与设定输出电压的大小自动调节PWM 波，从而驱动BOOST升压电路的MOS管，使电源的稳压效果得到提升。

本方案能够适合各种对功率因数要求高的电路作为其稳压电源。

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