大学生电子设计大赛A组单相ACDC转换.docVIP

2013年全国大学生电子设计竞赛 单相AC-DC变换电路（A题） 本科组 参赛队号  摘要 本装置是一种以升压开关稳压电路，它主要由电源电路、主电路、控制电路、驱动电路、保护电路构成。电源电路主要由变压器、整流桥和滤波电容构成；主电路由功率管（MOSFET）、电力二极管、电感和滤波电容构成；控制电路使用Boost变换器，由核心控制芯片SG3525及其外围电路构成；驱动电路是简单的推挽电路；保护电路主要包括电流保护和电压保护。 功率因数测量部分是以STC单片机A/D转换为核心的检测电路，采用电压互感和电流互感方式获取电压及电流的采集信号，通过主机控制两个从机分别获取系统输入侧电压信号与电流信号的相位差。 关键字: 开关稳压电路 Boost变换器 SG3525 A/D转换 电压互感 电流互感 一、引言 由题目要求可知，需设计一个单相AC-DC变换电路。输出直流电压稳定在36V，输出 电流额定值为2A。该题目基本要求使输出直流电压 Uo在36V±0.1V；当Us=24V，I o在0.2A～2.0A范围内变化时，负载调整率SI ≤ 0.5%；当Io=2A，Us在20V～30V范围内变化时，电压调整率SU ≤ 0.5%。并且要求设计并制作功率因数测量电路，实现AC-DC变换电路输入侧功率因数的测量，测量误差绝对值不大于0.03。具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A±0.2A。由以上分析可使用开关稳压电路进行升压，功率因数测量部分采用电压感应与电流感应方式通过单片机A/D转换并进行电压电流相位差计算。 二、方案设计 2.0 DC-DC主回路拓扑 方案一 间接直流变流电路：结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。 方案二 Boost升压斩波电路：拓扑结构如图1-2所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为UO=(ton+toff)，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。 综合比较，我们选择方案二。 2.1 控制方法及实现方案 方案一：利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，但是系统调试比较复杂。 方案二：利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定，满足题目要求。 在这里我们选择方案二。 2.2 功率因数测量及实现方案 方案一：利用求出电压和电流的相角差来求取功率因数 主要原理如下： 设电压信号为：u=sin（+θ） 电流信号为：=sin 利用傅立叶算法来计算出50Hz的基波分量，电流、电压的实、虚部分分别为： ={}，={} ={}，={} 根据电流的实、虚部的值，可以求出电压的相对相角，再考虑由于顺序采样引起的电压相角的滞后;实际的电压，电流之间的相位差为： =--；功率因数为。 此方法求取电压、电流各自的相位角，理论上完全考虑了系统的不对称性所造成的各次谐波对测量精度的影响。但是，傅氏滤波能够完全滤除各次谐波的条件但是却对于无限长的信号；而采用的全周傅氏滤波方法。并不能滤除高次谐波以及非周期分量。所以，无法精确测量系统的功率因数。 方案二：利用过零点测量电压、电流之间的相角。对于某一正弦信号，周期性地出现过零点。测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。由CPU对过零点打上时间标签，这个时间标签准确到2μs，在CPU内由时钟建立标准50Hz的信号，并求出被测量信号相对标准50Hz信号的角度，这个角度为绝对角。根据下面的图1，第j个测量点的过零时刻分别为ti， ti+1.则在ti时刻相对于标准50Hz信号的过零时刻i*20ms的绝为： = （） 相对参考点的角度为 其中，j表示第j个测量点，表示ti时刻参考点相对于i*20ms的角度，ti的单位为。 相角测量原理图 采用这种方法分别测出电压和电流的相角，可以求出电压超前于电流的相角。然后，即可以求出系统的功率因数，在单相交流电中利用单片机且容易实现，这里选择方案二。 2.3 系统框图 图1-3 系统总体框图 图1-4 功率因数测量多机通信系统 2.4 功率因数测量电路 图1-5 电压互感 图1-6 电流互感 图1-7 单片机最小系统 图1-8 AD采样芯片TLC2543