功率因数校正

G 题：高功率因数电源报告

摘要：本系统以TI 公司的PFC 芯片UCC28019为核心，控制BOOST 拓步结构实现DC-DC 转换。其Vins 脚和Isense 脚实时监测输入电压、电流相位，实现功率因数矫正。并采用TI 公司MSP430单片机控制N5110实现电压电流的显示功能。另外选用TLV5616高精度DA 转化器实现步进可调输出。该系统还具有完善的保护措施和负载识别等功能。

关键词：PFC BOOST DC-DC MSP430 N5110 TLV5616 负载识别

一、方案论证与比较

方案一：采用专业PFC 功率因数矫正芯片UCC28019，可简化电路的制作难度。官方电路图如下。该芯片通过检测电压和电流的相位以及反馈电压，并通过内部的误差放大器实时调节，输出近似正弦规律变化的PWM 波形，实现功率因数矫正的目的。

方案二：数字PFC 矫正 采用数字芯片DSP 、FPGA 或者MCU 等，检测整流后的电压和电感中的电流相位差，程序根据相位差的变化实时调节PWM 波形，来调节电感中的电流相位，实现矫正的目的。

方案比较：方案二虽然硬件简单，但编程难度太大，并且稳定性也难于驾驭。方案一相对来说制作简单，稳定性高，采用方案一。

论证：一般的DC-DC 变换器，交流电压经整流桥之后，大电容滤波，其直接结果是输入端电压信号畸变，不再是标准的正弦波，污染电网。UCC28019控制器，检测整流桥之后的电压，无大电容滤波，仅从这一点来看，至少输入端电压不会畸变，从而功率因数将得以提升。

二、理论分析与计算

1) UCC28019最大开启电压11V ，使用7812稳定输出12V 供电，可以满足要求。

2）整流桥桥输入峰值电流max Iin 2Ipeak

=7.4A ，

PF

Vin Pout Iin (min)(max)

max η=

=4.7448A

W Pout 90max =

V Vin 15min = 92.0=η PF=0.99

Vdiode Iinavg

Pbriage ⨯⨯=(max)2 整流桥最大功耗：9.5W 需要加散热片才能正常工作。

3）输入滤波电容计算：

(max)_peak Iin Iripple Iripple ⨯⨯=δ 2.0=δ

(max)_8ripple Vin f Iripple

Cin ⨯=

f=65khZ ，Cin=2.2uF 。耐压值大于50V .

4）电感值的计算：

Iripple f D D Vout L ⨯-⨯=

)1(

Vout Vin Vout D -=

电感值：116uH ，实际取值为200uH.采用PQ 磁芯绕制，0.38铜线8股并绕。

5）开关MOS 管的选取：

V Vin peak Vin V

Vout 60max 2_36max ≈=

=

A Iin 45.7max =

加上开机冲刷效应，选取耐压值大于100V ，15A 的MOS 管IRF540N 。

6）电流检测电阻：

Ω

=⨯=

6.025.1_peak Iin Vsoc

Rsense

实际选取R050贴片封装采样电阻。

7）输入电压采样电阻：

Vref Vout VrefR R -=

1

2 实际去R1=750K 、R2=130K

8)输出滤波电容：

22_2houldup Vout Vout tholdup

Pout Cout -⨯=

W Pout 90max =

V houlduo Vout V

Vout 30_36==

C=2200uF ，实际取值6900uF,多个电容并联减小波纹电压。 三、系统整体框图 1）主电路原理图

2）辅助电源原理图

3）反馈网络电路图说明：

UCC28019内部参考电压5.0V ,，输出分压比为1:5，

输出电压计算公式：VDA Vout 630+=

题目中要求每次步进1V ,则DA 每次步进166.66mV 即可满足要求。选用TI 公司的TLV5616高精度DA 实现mV 级的步进。

4）单片机电压电流采样电路详见系统主电路。 4）相位测量电路此处略去。

整体思路：电压信号电流信号为50Hz 的正弦波，经LM393双比较器整形后给CD4070异或门运算，将相位差转换为占空比给单片机测量，或者说将PFC 转换为占空比之后由单片机测量。

四、程序文件：详见本论文结尾。 五、测试方法与测试仪器

输出不变给变输入电压在15V-19V 之间波动，测试输出电压的变化。 输入电压不变改变输出电压30V-36V 之间步进，测试电源性能。

输入电压18V 时，改变负载电阻，测试电压电流相位，确定功率因数。 同时测试电压值的设定功能，每次步进1V ，并读取5110显示屏的数据。 测试仪器：Tektronix 示波器，UNI-T UT58E 型万用表。 六、测试数据及结果分析 设定值 30.0V 31.0V 32.0V 33.0V 34.0V 35.0V 36.0V 输出值

30.19

31.0 31.9 32.9 33.7 35.9 36.0 显示值 29.76 30.50

31.50

32.5

33.4

35.7

36.1

输入电压18V 输出电流 0A 0.5A 0.75A 1.0A 1.25A 1.5A 1.75A 2.0A 输出电压

33.76

33.70

33.60

33.49

33.38

33.27

33.15

33.05

数据分析：1）测试电压数据，在电流0-2A 波动时，有33.76V ，下降到33.05V 压降为720mV ，题目中要求压降小于5%，及33.76*5%=1.68V ，可知该系统可以满足要求。另外随负载的变化，电压会偏离设定值，是因为电感储和电容储能能的下降，理论上增加输出滤波电容可以缓解这种问题。

2）5110显示的电流值，750mA 一下可以测得准，之后的测不准，误差较大。原因分析：输出端噪声电压波动Vpp=2V ，经过采用电阻之后转换成电流文波，仪放之后输出的电压波动会更大，所以导致测试不准确。