UCC28019详细计算参数

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1、第三届“蓝电”杯电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）湖北工业大学蓝电中心童剑李杰2014年3月6日摘要本设计以STM32单片机为控制器，采用了 TI公司的UCC28019芯片，搭建了一个单相 AC-DC变换电路。本系统由变压器模块、AC-DC变换电路、功率因数检测电路、功率因数 调整电路和电流检测电路等组成。在实验装置的电源电路中，对电源的输出直流电压、直 流电流和电源的功率因数进行了测量，并通过键盘对电源的输出直流电压进行设定。实验 结果表明，当电源的进线交流电压和负载电流，在比较宽的范围内变化的时候，电源的输 出电压能够保持较高的稳定性；具有过流和过压的保护功能。利用UCC28019

2、功率因数校 正功能，将电源装置的功率因数提高到了 0.98以上，并能够将功率因数在0.8-1.0之间 调整，达到了预期的目标。关键词：STM32单片机、UCC28019、AC-DC变换、功率因数。一蓝电杯题目4二方案论证与比较62.1 PFC 模块-62.2单片机控制电路62.3显示模块62.4 功率因数测量电路子系统电路62.5电路保护模块72.6直流电源供电模块8三理论分析与计算93.1功率因数测量方法93.2提高效率的方法及实现方案93.3系统整体框图10四功率因数主回路.10五控制电路与程序控制125.1程序的设计125.2程序的流程图125.3过流保护电路13六测试方案与测试结果14

3、6.1测试方案146.2测试条件与仪器146.3测试结果及分析15附录一：高功率因数原理附录二：UCC28019外围电路计算附录三：作品实物一蓝电杯题目O220VO变压器k0X5cmUsAC-DC变换电路Rl系统总框图设计并制作如图所示的单相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。21基本要求(1) 在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A条件下，使输出直流电压Uo=36V土 0.1V。(2) 当Us=24V, Io在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率SI 0.5%。(3) 当Io=2A, Us在20V30V范围内变化时，电压调整率SU 0.5%。

4、(4) 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。(5) 具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A0.2A。22发挥部分(1) 实现功率因数校正，在Js=24V，Io=2A，Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路交流输 入侧功率因数不低于0.98。(2) 在Us=24V, Io=2A，Uo=36V条件下，使AC-DC变换电路效率不低于95%。(3) 能够根据设定自动调整功率因数，功率因数调整范围不小于0.801.00，稳态误差 绝对值不大于0.03二.方案论证与比较2.1 PFC模块方案一：采用无源PFC电路。无源PFC电路不使用

5、晶体管等有源器件，而是由二极 管、电阻、电容和电感等无源元件组成。采用电感补偿方法使交流输入的基 波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很 高， 只能达到0.70.8。方案二：采用有源PFC电路，有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小， 可以达到很高的功率因数，基本可以达到98%以上，但成本要高出无源 PFC 一些。本电路采用是UCC28019芯片。UCC28019的VINS采集整流后的 电压，通过ISENSE端口采集电流来跟踪采集的电压，减小失真度。VSENSE端 口检测反馈电压，在内部进行比较，从GATE端口输出电压，来驱动MOSFET开关管工作，而且内

6、部具有过压过流保护功能。该芯片具有较强功率因数矫正功能， 使用该芯片能使输入的电压、电流的信号的相位差大大减小，功率因数可以提 高到0.98以上，从而提高电路有功功率。通过比较两种方案，方案二能够更好的实现高功率因数电路的控制要求，故采用方案二。2.2单片机控制电路方案一：采用通俗的51单片机，51单片机运用广泛，有良好的知识做基础，上手快，但 是单片机内部不含ADC，电路需要外接A/D转换电路实现其功能。方案二：系统采用stm32f103作为控制芯片，stm32f103内部有丰富的资源，6个8位并 行口其中有两个有中断功能，12位的ADC，强大的定时器，大容量的RAM和ROM。Stm32 单

7、片机最大的特色就是超低功耗，适合低功耗的应用场合。比较两种方案，方案二单片机系统更为强大，处理数据能力更强，所以选择方案二。Stm32显著特点1、ARM最新的Cortex-M3内核。优先级抢占的中断控制器，支持中断自动嵌套，硬件 完成现场保护与恢复，中断嵌套时，只需保护和恢复一次现场，即使在恢复现场的时候再 次中断也不需要再次保护现场，只需6个elk的调整时间。2、居然只需7个滤波电容就能构成最小系统3、外设的引脚居然可以重影射4、RAM居然可以通过位绑定技术按位来访问5、居然装备了可编程的掉电监测器6、居然有带电池供电的数据备份寄存器7、芯片进入低功耗模式后可以通过“事件”唤醒，而无须执行中

8、断子程序8、定时器居然有前置的倍频器9、2个12位的AD却拥有高达1M的采样速率，AD模式更是天花乱坠，传说中的注入 模式10、GPIO刷新速率可设定，支持位的原子操作，还能锁定方向，居然还有个脚叫“入 侵检测引脚”，发生“入侵”时硬件自动记录时间，只要有后备电池。为西门子保留了单 脉冲的输出功能（据说用于PLC的）11、原来还有一种狗叫模拟看门狗12、可检测PWM脉宽和频率（硬件直接支持）13、集成电机控制和霍尔接口14、原来还有一种狗叫窗口看门狗过早或过晚喂狗，狗都会让系统复位15、还集成了第三只狗，独立看门狗，这种狗比较常见16、SPI还带硬件的CRC校验高达18Mb/s的通讯速度17、

9、支持两个设备地址的I2C总线，据说任天堂的游戏机常用到这种功能，I2C同时 支持SMBUS2.0和PMBUS模式18、USART速度高达4.5Mbps，不仅支持IrDA还与接触式的IC卡协议兼容23显示模块方案一：数码管内部通过二极管的明灭来进行显示数字，采用4个共阴极 数码管作为功率因数测量显示部分，数码管操作简单，执行效率高，价格低方案二：液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域 进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、 适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被 广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多

10、领域。比较两种方案，由于数码管显示字符有限没能满足我们要求，我们组 选用市场上面通用LCD1602。LCD1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方 便，控制简单，成本较低等特点.2.4功率因数测量电路子系统电路CR41KP3 4P3 5,经过零比较器将正弦信号转变成方波；用触发器CD4013X1NED。壬D2 .11- OUTAVCCI 11Q VDD丁Di?去除高频信号，滤除谐波干扰；通过2个施密特整彩24lCtv2 DiodeIN A-OUTB7 OUT A个2OUT信号。送lCtaRX2二Gnd IN B +LM3 93进行分析处理。原理图如图2所D3 D4器，置到TTL方波137T1

11、1V SSCD40132SU4 1QVDD1/Q2Q 1CP2/Q 1RD2CP 1D2RD2DC D4 01 31/Q 2QCP 2/QvCC14T31211To91 1TOUT A T 4VCC 6在LM393的输入端加了两个 IN4108稳C压二极管将输入信号控制在TitleSizeN u mb erBDate:8- Sep -2013File:D: P ro telEx amp les 电子兴趣5图22.5电路保护模块3继电器驱动接口电路如图3所示，如果输入信号为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而断电保护。继电器的输出端并联100

12、Q的电阻和6800pF的电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。每个继电器都有一对常开常闭的触点, 辛代卜1 一 31T旧O上卩1Jt E | I便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能,COM2，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。R6100+5V/1A6800pf2.6直流电源供电模块采用78系列和79系列芯片，可以将变压器输出的电压转换为各个模块1_斗FX a 丘丁 + 广门乜 -Zfiji| I 2 *|V，5V,阵3，5V。电路如I I X 1|IC吒LIHUFjJ4附录三主电路参数计算:1涉及中，首先确定峰值电流Iin_peak，者可根据

13、电源的效率耳=0.92和要求达到的功率因数PF=0.95 来计算。Iin _ rms(max)二 ui =36x2二 4.12AIin-pealkmax)，2 xIin-rms(max)= 5-77A啪仙丹 0-92x20x0-95Iin_avg(max)= 2Iin_peak(max)二 2x5.77 3.67A兀兀2整流二极管的计算，根据Iin_avg的大小来确定使用的元器件，这里选用RS606整流桥堆。3输入电容(Cin)的计算，这个电容量很小主要是滤除整流输出电压中的高频部分，通过计算出允许 的纹波电流值Iripple级纹波电压值 Vin_ripple(max),可以得到输入电容 Ci

14、n的最大值，我们将 Iin_peak(max)的20%作为纹波电流Iripple，电压纹波系数6%,根据UCC28019资料可以，Fsw=64KHz 为最好状态；计算过程如下。Iripple “Iripple x Iin - peak (max) 0.2 x 5.77 1.15 A1Vin - ripple(max) AVripple - in x Vin - rectified (max) 0.06 x J2 x 25 2.1V将Iripple和Vin_ripple(max)代入下式即可得到Cin 一 Irpple8 FswxVin - ripple(max)4升压电感(Lbst)的计算，起

15、到储能的作用；按照占空比D=0.5可以计算出斩波电感的最小取值。Lbst(min) Vo“tD(1_d) 36x0.5x0.5 120卩Hfswx Iripple 65 KHzx1.155输出滤波电容(Cout)的计算，该电容的选择主要满足输出电压保持时间；但要求在保持时间 Iholdup=1/fline(min)内，开关电源输出电压不低于30V时，这输出滤波电容容量按下式计算。Cout 2 PoutxTholdupVout (max)人 2_Vout - holdup (min)6反向快速恢复二极管(Dbst)的计算，承受的重复峰值反向击穿电压平均正向电流，反向恢复时 间和热考虑，为减少功率

16、开关的损耗，但选择超快恢复二极管，开关损耗可以忽略不急，可根据功耗及 恢复时间来选择相应的元件，按照二极管压降Vf=1.5V，Iout=2A来计算，二极管功耗为P=3W，我们 选择 HEF307.7功率开关元件的计算，主要依据升压电压，传递的功率等参数，损耗主要有两种：导通损耗和开 关损耗，其中导通损耗计算公式。Ids_ rms_ Poutmax) x 2 16Vin_rectifiedmin) 72W628-26 2.06AVin_rectifiedmin)讨3Vout28.26V3kx36Pcond (Ids_ rms 八 2)Rds 4W开关损耗Psw fsw(TVout x Iin -

17、 peak (max) + 0.5Coss x Vout a 2) 0.11W，其中Fsw=65KHz,T=4.5ns,Coss=780pf;总功耗=4.2W如果选择MOFET，则需满足上述的损耗要求，而且可行的开关速度可以超过120MHz，因此选择IRF540N8取样电阻(Rsense)的计算，主要是对电感电流进行电流进行取样；考虑到软件过流保护的下限Vsoc=0.66V级电感峰值电流的最大取值，取样电阻Rsense的计算如下Il _ peak(maX = Iin _ preak + brpie = 5.77 +155 = 6.55A2 2Rsense = Vsoc = 066 = 0.08

18、01.25 Il _ peak (max)1.25x6.559 Rsense1的计算为使器件避免由于瞬时峰值电流的损害，用一个Rsense=2200和电阻与Isense引 脚串联，同时在该引脚处于地线之间接一只1000pf的电容Csinse，以改善抗干扰性能。10Rfb1的计算，为了使电源功耗尽可能小及使反馈电压误差最小，反馈电阻Rfb1=1M0，Rfb2 按下式计算：Rfb2 =二 5x1M =161.29K0，实际取值Rfb=160K，另外还需要在Vsense引脚出接一只小Vout-Vref36-5电容以滤除噪声干扰，一般Csense=820pf。11输入低电压保护电路中，由Rvinse1

19、和Rvinse2分压获得的电压，从UCC28019的第四引脚，当该引脚电压低于0.8V时，芯片将切断从8脚的驱动输出。Rvinse1和Rvinse2的参数计算如下。假设流 进分压电阻的电流为输入偏置电流的150倍，即Ivins=150*0.1uA=150uA,Vac(on)=22VVac(off)=20V则Rvins1 =2 xVac(on)Vf hredgeVinsenahle th(max) 2x22 0 9 1 6 1.8M0Ivins150uARvins2 VINSenahle _ thxRvins _ 1.6xl.2101K0、2xVac(on)VINSenahle_ th (max

20、)Vf _ bridge2 x22V1.60.95另外在VINS引脚与地之间还接有电容Cvins，主要作用是滤除纹波电压，防止无触发输入输入低 电压保护电路；其次可以延迟一点时间启动输入低电压保护电路，Cvins的放电时间一般要求大于电容 的保持时间；Cout的保持时间为一个周期，故当Cvins旳放电是满足半周期的2.5倍时，可以按下式得到Cvins的值;x InNHALF CCLE=25.6ms2x47 出1 OOkC x In0.9x I5x100AQ)25出咖12Vcomp端的补偿网络参数的计算，一个由电阻和电容组成的网络连接在VCOMP端与地之间起到补偿的作用，跨导误差电压放大器输出的

21、电流对该网络的电容进行充电或者放电，目的是建立适合的VCOMP电压来保证系统正常运行，电压传递函数的开环增益在10Hz时Gvldb=0.709dB,可知gmv=42uS,K1=7,Kfq=65KHz,M1M2=0.37v/us,Fv=10Hz,fpqle=20HZ.g 根据已知条件首先需要计算出脉宽 调制到功率级的极点Fpwm_ps的值，然后根据相应的公式计算出各元件的参数。fpwm _ ps 115 385*0 37*24八22兀 K 1xRsense xVouI a3xcou t2n 7*0.08*36 a3*8000Kfq xM 1xM 2xVin a2Cvcomp gmff_ 叶4.2

22、uf,10 a GvldB x 2 兀 fV20Rvcomp 1 26.59 k 兀2兀fpwm _ psCvcomp实 际取值Cvcomp _ p 2 时pole x Rvcomp x Cvcomp 1Cvcomp=2.2uf, Rvcomp=27K, Ccomp_p=0.33uf。13Cicomp的计算Icomp端是跨导电流放大器输出端，此端与地之间接有一补偿电容Cicomp,主要 其补偿和平均取样电流信号的作用，从手册可以得到平均电流极点Fiavg=9.5KHz, gmi=0.95mS,M1=0.484, K17，则可以利用公式计算出Cicomp取值。Cicomp =- gmi xM 1 _ = 1100 pf ；K 1x2 兀x9.5 K上L1&Li：hUIH4 4K 严 r-M- i.IM4=1-Ec-2 .fflJ.rac匚 mill L-uiPdl 皿:沾-J+toua 一下_111-h-lUUTi1C bsrnpiHlllC*FlTAlPMTEVh肌沁也D(SEMEVIMS5q.oilifkviJiinr-l|砒-l+u.-2 LRiftcr-Ii=lk3niTiiHI?=. np ?(IJkF 1Ji-ini gmu附录四：作品实物图