基于UCC28019的高功率因數(shù)電源的設計

劉 青,徐 赟

（鐘山職業(yè)技術學院，江蘇南京，210049）

基于UCC28019的高功率因數(shù)電源的設計

劉 青,徐 赟

（鐘山職業(yè)技術學院，江蘇南京，210049）

該系統(tǒng)采用 TI 公司專用PFC整流控制芯片 UCC28019 作為控制核心，構成電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，構建了有源功率因數(shù)校正（PFC）的高功率因數(shù)整流電源。其中，電流內(nèi)環(huán)作用是使網(wǎng)側交流輸入電流跟蹤電網(wǎng)電壓的波形與相位；電壓外環(huán)為輸出直流電壓控制環(huán)，外環(huán)電壓調節(jié)器的輸出控制內(nèi)環(huán)電流調節(jié)器的增益，使輸出直流電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)通過IAP15F2K61S2單片機控制模塊實現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)、輸出電壓、電流的實時測量、人機交互、輸出過流保護等功能。實際測試表明，該系統(tǒng)電路中的功率因數(shù)高于0.98，檢測誤差絕對值小于2%。

UCC28019； PFC；單片機

0 引言

電源設備在性能上一直在不斷追求功率因數(shù)高、效率高、噪音低、且電磁兼容（EMC）合格。作為高性能電源功率模塊，單相AC-DC變換器通過輸入電流的高次諧波，提高電源輸入功率因數(shù)、較好地抑制不可控整流、減小無功功率對電網(wǎng)的諧波污染，使電源設備很好地滿足國家及行業(yè)相關標準，且可靠性高、一致性好，越來越得到人們更多的重視。本文就是基于采用TI公司開發(fā)的專用APFC芯片UCC28019。該芯片振蕩頻率為65KHZ，為了提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，避免外界干擾，振蕩頻率由內(nèi)部固定。該芯片輸出PWM波最大占空比97%，，最大輸出電壓12.5V，可直接驅動MOSEFT ，8腳灌電流（峰值電流）2.0A，拉電流（峰值電流）1.5A。另外，該芯片還具有輸入過流、輸入過壓、欠壓等多種保護功能，用在BOOST電路中能很好地進行有源功率因數(shù)校正，被校正電路功率因數(shù)趨近于1，完全滿足系統(tǒng)設計的要求。

1 硬件設計方案

系統(tǒng)可分為功率因數(shù)調節(jié)（PFC）部分、數(shù)據(jù)采集部分、鍵盤與顯示等部分。數(shù)據(jù)采集部分包括功率因數(shù)監(jiān)測和輸出電壓、電流檢測，功率因數(shù)調節(jié)部分負責提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，鍵盤與顯示則提供人機交互方式。當監(jiān)測電流值大于2.5A時，系統(tǒng)過流保護動作。系統(tǒng)框圖如下圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主電路原理圖設計如下圖2所示：

圖2 主電路原理圖

1.1 功率因素校正電路

功率因素校正電路主要采用美國TI公司提供的有源功率因素校正（PFC）芯片UCC28019，該芯片通過平均電流模式進行對功率因素的校正，振蕩頻率由內(nèi)部固定為65KHZ，且具有眾多系統(tǒng)保護功能，適用于較寬范圍的通用交流輸入，100W至2kW輸出功率的功率因素變換器。

根據(jù)UCC28019芯片工作原理可知，其輸出的PWM波占空比是根據(jù)電壓環(huán)路的反饋電壓輸入到VSENSE腳與+5V基準電壓比較，經(jīng)差分放大后改變PWM斜坡的斜率進行調節(jié)的。則可知系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)時該引腳的電壓一定是5V，根據(jù)該特性可以利用電阻的分壓比，利用D/A轉換器通過設定最低的電壓來控制最終的輸出，從而達到數(shù)字設定輸出值的目的。D/A轉換器采用TI公司16位數(shù)模轉換器DAC8811即可。

根據(jù)TI公司官網(wǎng)上設計軟件，輸入數(shù)據(jù)可得到外圍電路的一系列參數(shù)，電路設計如上圖2所示。

1.2 單片機控制模塊

本系統(tǒng)設計時選用STC公司的IAP15F2K61S2單片機芯片作為核心控制模塊，完成功率因數(shù)等參數(shù)的測量及顯示。該芯片運算速度比普通8051快8-12倍，內(nèi)置8路10位模數(shù)轉換器，內(nèi)存容量大，是一款不需外部晶振、不需外部復位的單片機，一個芯片就是一個仿真器，是全球第一款真正意義上的單片機。

1.3 主回路器件選擇及參數(shù)

由于UCC28019輸出PWM波，可以直接驅動開關管的通斷，所以最終系統(tǒng)主回路只包括Boost電路。

（1）開關場效應管及肖特基二極管的選擇

在MOS管導通時，電流流過MOS管，肖特基二極管承受反向電壓；在MOS管關斷時，電流流過肖特基二極管，MOS管承受正向電壓?？紤]到系統(tǒng)開啟等一系列動作帶來的沖擊效應，二者應滿足IDmax(I0)≥16A，UDSS(Umm) ≥72V。

（2）電感參數(shù)計算

脈動電流與平均電流之比m取0.25。

（3）電容的參數(shù)計算

△UO為負載電壓變化量，為增強高頻響應，可以采用在輸出端并聯(lián)多個無級吸收的方式，以減少毛刺。

2 軟件設計方案

采用STC公司的IAP15F2K61S2單片機芯片作為主控芯片，對硬件電路的相關參數(shù)進行測量。對于功率因素等相關參數(shù)的測量，我們采用霍爾和互感器為主要檢測器件的硬件檢測電路得到相關數(shù)據(jù)，通過A/D 轉換送入單片機內(nèi)進行軟件算法處理，最終得到想要的數(shù)據(jù)送到液晶顯示。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如下圖3所示：

3 性能測試

表1 性能測試數(shù)據(jù)表

測試說明：負載采用100Ω/3A規(guī)格的可調滑線變阻器；測電壓調整率時，保持輸出電流為1.2A，通過調節(jié)滑線變阻器，來改變輸入電壓，檢測輸出負載電壓的變化情況；測負載調整率時，保持輸入電壓為24V，通過調節(jié)滑線變阻器，來改變輸出電流，檢測輸出負載電壓的變化情況；測輸入功率因數(shù)時，使系統(tǒng)工作在額定狀態(tài)，輸入電壓和電流為正弦波，采樣電阻串聯(lián)在交流輸入端，測出系統(tǒng)輸入電流與電壓波形的相位差，計算出U0、I0之間相位差的余弦cos，即系統(tǒng)的功率因數(shù)。

圖3 主程序流程圖

通過對測試數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)采用數(shù)字閉環(huán)反饋調節(jié)，經(jīng)過實時采樣，可使負載調整率和電壓調整率達到很高的穩(wěn)定度，功率因數(shù)由于采用UCC28019電流跟蹤電壓式調節(jié)，使輸入的電壓、電流相位差很小，功率因數(shù)可高達99%。

4 結束語

測試結果顯示，該系統(tǒng)功率因數(shù)高達98%以上，穩(wěn)定性好，并且較好的完成了功率因數(shù)的檢測顯示。本系統(tǒng)是采用了雙閉環(huán)來提高系統(tǒng)的性能，一是輸出電壓控制環(huán)，通過反饋網(wǎng)絡穩(wěn)定輸出電壓；二是電流控制環(huán)，通過對輸入電流的檢測來實行電流波形優(yōu)化。通過這些功能簡化了實際硬件的電路設計，而且能達到很好的效果。

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劉青，碩士研究生，鐘山職業(yè)技術學院副教授，研究方向為測控技術、電子信息技術。

徐赟，碩士，鐘山職業(yè)技術學院高級實驗師，研究方向為電子技術、計算機應用。

圖1 潛油電泵實時監(jiān)測系統(tǒng)運行效果圖

2 結果與分析

本文講解了在基于VC++6.0的開發(fā)環(huán)境下，通過多線程技術，成功完成了潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)的實時處理。潛油電泵下位機通過單片機從TXD端以十六進制的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，即潛油電泵實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對接收到的溫度壓力等相關數(shù)據(jù)進行分析、處理以及實時顯示波形，從而實現(xiàn)了對井下參數(shù)的實時觀測。成功實現(xiàn)了51單片機與PC機之間的串口通信及圖形的產(chǎn)生。潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)部分數(shù)據(jù)及圖形顯示如圖1所示。

3 總結

本文利用多線程技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集保存及實時顯示，程序的編寫自由靈活、可移植性強、穩(wěn)定性好且可靠性強。順利實現(xiàn)了對潛油電泵設備井下工況的實時監(jiān)測，從而使得該設備的運行更具可靠穩(wěn)定性，方便對設備的自動化控制。

參考文獻作者簡介

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師阿香，女，1988年生，在讀碩士，主要研究方向為自動化儀器儀表。

Design of high power factor power supply based on UCC28019

Liu Qing,Xu Yun
（Zhongshan College of Vocation and Technology,Jiangsu Nanjing,210049）

The system uses TI PFC rectifier control chip UCC28019 as the control core, which constitutes the dual loop control of voltage outer loop and current loop, and the active power factor correction (PFC) is constructed. The current inner loop is to make the input current of the network side AC input current and phase of the grid voltage. The output voltage is controlled by the output DC voltage. System through the IAP15F2K61S2 microcontroller control module to achieve system power factor, output voltage, real-time measurement of current, human-computer interaction, the output flow protection and other functions. The practical tests show that the power factor of the system is higher than 0.98, and the detection error is less than 2%.

UCC28019; PFC; single chip microcomputer

TM46

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