2013全国电子设计大赛A题国家一等奖设计报告

单相AC-DCAC-DCAC-DCAC-DC变换电路摘要：系统以FPGA和MSP430F6638为控制核心，设计制作了36V单相AC-DC变换系统。系统主要包括功率因数调整电路、Buck降压电路、辅助电源电路、电压电流采样电路和输出过流保护电路。系统首先由以UC3854为核心的功率因数校正电路将输入交流电压转换为44V直流电压，同时利用FPGA控制DA输出交流反馈电压将输入侧功率因数调整至设定参数。然后由FPGA产生PWM波控制同步降压电路将44V直流电压降为恒定的36VDC。经测试，在题目指定条件下，系统的负载调整率0.028%IS≤，电压调整率U0.028%S≤，功率因数0.991PF≥，PF测量误差0.001δ≤，AC-DC变换电路效率%η≥90.6；且功率因数可通过按键在0.64~1.00内以步进0.01调整，稳态误差绝对值不大于0.002。此外，系统具有输出过流保护功能，并可在LCD上实时显示工作状态。关键词：关键词：关键词：关键词：PFC、PWM、PID算法、Buck电路1一、方案论证1.1.1.1.比较与选择（1）功率因数校正及步进调整方案一：DBPFC。如图1，当输入处于正半周期时，L、S1和D1组成Boost电路；当输入处于负半周时，L、S2和D2组成Boost电路。随着输入电压的交替变化，两种情况交替出现。该方案结构简单、驱动方便，效率很高，但电磁干扰很强，电路不够稳定。方案二：基于UC3854的Boost变换器。该方案采用平均电流模型，只要结合DA即可图1DBPFC拓扑结构图通过脉宽调制输出的一连串脉冲信号来控制电路中开关晶体管的导通与截止，从而将输入电流与输出电压的相位调整到相应相位的状态，最终达到功率因数校正的目的。该方案结构简单，适应范围广，效率也较高。故本系统选择方案二。（2）功率因数的测量方案一：先通过过零比较得到交流电压与交流电流的相差θ∆，然后由公式cosPFθ=∆算出功率因数。该方案的硬件和软件都比较简单，但由于交流信号容易失真，所以测出的功率因数误差较大。方案二：通过高速AD对交流电压电流信号实时采样，同时分别对采样到的电压、电流以及电压与电流乘积的瞬时值进行积分，即可得到电压电流的有效值RMSV、RMSI和有功功率P,最后由公式()RMSRMSPFPVI=×算出功率因数。故本系统选择方案二。2.2.2.2.总体方案描述Buck降压功率因数校正隔离变压器MSP430F6638键盘、显示FPGA交流电压电流采集负载相位搬移PWM波生成模块PWM驱动光耦隔离数据采集与监控220VAC直流电压电流采集DA隔离变压器220VAC整流滤波辅助电源光耦隔离ADPID调节图2系统整体框图如图2，系统整体方案如下：市电（220VAC）经过隔离变压器降为20V~30V，再利用桥式整流模块得到相应直流电压。该电压经过以UC3854为核2心的功率因数校正电路升至44V左右，最后由Buck电路降至36V。系统实时监测输入交流电压电流和输出直流电压电流，并根据预置功率因数自动做出相应调整。当输出过流时系统自动关闭FPGA的PWM波输出，并可在LCD上实时显示工作状态。二、理论分析与计算1.1.1.1.提高效率的方法1）选用多个低压降二极管并联构成全桥整流电路，降低管耗。2）减小开关管的栅极串联电阻，可改变控制脉冲的前后沿陡度、防止震荡，减小开关管的漏极的冲击电压；同时在开关管的栅级和源级之间并联较大阻值电阻，减小开关管断开时的静态电流。3）选择导通压降较小的肖特基二极管，导通压降越小损耗越小。4）根据电路具体需求来绕制合适的电感，结合理论公式与经验，合理选择磁芯和绕线规格，避免磁饱和并降低铜损和磁损。5）选择合适的PWM波频率。开关管的开关损耗会随着系统的工作频率的增高而增大，而输出电压纹波又随工作频率的减小而增大，兼顾纹波与开关损耗，故选取PFC的开关频率为50kHz，Buck电路的开关频率为20kHz。2.2.2.2.功率因数的调整方法UC3854是一种典型的功率因数校正芯片，图3给出了这种芯片构成的简单PFC电路框图。UC3854有两个反馈环，一个是强迫输入电网电流为正弦波的高带宽内部环（EA2），另一个是保持输出电压恒定的低带宽外环（EA1）。UC38545脚的输出电流是连续的正向正弦半波，幅值在任何瞬时都与A点直流电压和输入6脚的电流值成比例。UC38546脚的输入是与整流桥输出的正弦半波电压同相位的连续正弦半波曲线，幅值与误差运放EA1的输出电压成比例。在每个正弦半波的所有时刻上，通过使Rs的压降与R2的升压近似相等来使电网电流波形成为正弦波。又因为电网电流等于Q1导通时流过Q1的电流和Q1关断时流过D1的电流的和，所以一个开关周期内Rs的平均电流等于同一周期内的电网输入平均电流，故当使Rs的压降等于R2的升压时，电网电流波形也会与整流桥输出的电压波形同相位，即电路PF=1。为使AC-DC变换电路交流输入侧功率因数在0.80~1.00可调，可用软件反馈替代一部分硬件反馈。系统实时采样输入交流电压和电流，再通过DA延迟UC38546脚电压（即交流反馈电压）的输入时间，使AC-DC变换电路输入侧电压与电流产生相应相移，即可得到对应。3Squarer811675431214CLow-impendaceinputLow-impendaceinputEA1EA1EA2EA2PWMPWMOscillatorOscillatorMultiplieranddividerMultiplieranddividerC1C1R14R14R8R8R2R2VrefVrefBRCFilter全桥整流ACoCoD1D1Q1Q1L1L1VoVoAC16Q2Q2Q3Q3FFSSRRViVi图3UC3854构成的功率因数校正器电路框图3.3.3.3.稳压的控制方法本系统通过功率因数校正电路和Buck电路确保输出电压稳定为36V。首先如图3，UC38543脚的误差电压信号控制的导通时间是几个开关周期导通时间的平均值。当5脚乃至3脚的误差电压突然发生变化时，芯片图4Buck拓扑结构图内部PWM比较器会立即改变导通时间，使流过Rs的阶梯斜坡电流产生的电压等于R2的电压，如此即可得到一个恒定的直流输出电压。由于UC3854构成的功率因数校正电路输出电压较高且不够稳定，故系统又采用Buck电路来得到稳定的36VDC。如图4，Buck电路的输出电压由PWM波调节开关管的导通和截止时间来控制，输入输出电压的关系为inV=Vt/(t+t)outononoff×，其中ton和toff分别为开关管的导通和截止时间。三、电路与程序设计1.1.1.1.AC-DCAC-DCAC-DCAC-DC变换主回路设计与器件选择（1）基于UC3854的功率因数校正电路确定开关频率：令开关频率=50kHzF，取1TCnF=，由1.25SETTFRC=×可得出25SETRk=。电感的选择：令电感电流纹波0.026r=，44OVV=，(max)3OIA=，电感()min(max)min4422044(2)L=0.83()(2)500000.026443(220)OOOOVVVmHFrVIV−×−==××××，实际取0.8LmH=。输出电容的选择：令输出维持时间50tms=，最小输出电压(min)25OVV=，输出滤波电容(max)2222(min)224430.0510068.654425OOOOVItCuFVV×××===−−，实际取10000CuF=。开关场效应管的选择：输入电压20~30V，最大输出电流为3A，为降低系统4损耗，选择TI公司的CSD18533作为PFC的开关场效应管。CSD18533的(max)=114DIA，(max)=60DSVV，导通电阻()4.7DSonRm=Ω，上升时间为5.5ns，下降时间为2.0ns；二极管MBR10L60的(max=20FIA），导通电压V0.85FV≤。二者均能很好地满足设计要求。图5基于UC3854的功率因数校正电路图6Buck降压电路（2）Buck降压电路Buck降压电路按电感电流LI周期开始时是否从零开始，可分为电感电流连续工作模式和电感电流不连续模式两种。要使电路工作于连续状态，则电感2(1)2OCOSVDLLPf−≥=，输出纹波电压28OSOVDTVLC∆=。MOS管及驱动芯片的选择：输入电压为44V，最大输出电流为3A，为降低系统损耗，选择IR公司的IRFB4110和IR2104作为Buck电路的开关场效应管和驱动。IRFB4110的(max)=100DSVV，(max)=120DIA，导通电阻()3.7DSonRm=Ω，上升时间为67ns，下降时间为88ns；IR2104的(max)=600OFFSETVV，上升时间为100ns，下降时间为50ns。二者均能很好地满足设计要求。电感的选择：取D=0.5，Po=72W，20SfkHz=，由上述公式知系统要工作在连续模式，则电感的取值225LuH≥，实际取L=800uH。输出滤波电容选择：取ΔVO1mV,则输出滤波电容7000CuH=。实际取两个4700uF的电容并联，等效电阻小，输出稳态特性好。53333....过流保护电路如附图2所示，本系统采用软件控制过流保护。INA282是一种高精度、宽共模范围、双向电流分流监控器。该芯片可将电流信号转换为电压信号并将电压信号放大50倍。系统实时监控输出电流，当输出电流超过2.5A时自动关闭Buck电路的PWM波输入。4444....ADADADAD采样电路如附图1所示，本系统采用12位、四通道低功耗串行A/D转换器TLC3574进行采样，该芯片可采样-10V~+10V的模拟电压，完全满足本系统的要求。5.5.5.5.交流电压电流取样电路如附图3所示，本系统先采用电压互感器TV1013-1H和电流互感器TA12-200实现强电与弱电的隔离，再通过TI公司的OPA604对互感器的输出小信号进行精密放大后供给AD采样。6.6.6.6.控制电路与控制程序的设计如图7，由于本系统需要完成采样、滤波、移相及PWM波调制等复杂运算，故选用FPGA作为控制器外围接口，选用MSP430F6638作为系统控制器。软件采用ucos操作系统，让LCD_TSK,KEY_TSK,BUCK_PID_TSK,PF_PID_TSK,等任务并行运行，通过对公共变量区变量读写，实现定时刷新，定时显示，定时过流监测，定时PID的运行。MSP430通过中线读写FPGA配置的寄存器，实现对FPGA模块的操作。FPGA中有AD采样模块，电压移相模块，PWM模块。AD采样模块采样4路信号：交流输入电流、电压，直流输出电流、电压。对采样信号中值滤波，滤除高频毛刺，然后进行积分运算。AD模块输出采样电压存入双口RAM，进行移相操作，再经DA放出，产生移相电压。软件配置PWM寄存器，产生PWM波控制同步降压电路。图7程序框图总线读写节拍定时器任务调度PF_PID430BUCK_PID过流监测定时显示刷新按键扫描变量区有效值检波电压AD采样模块中值滤波双口RAM移相DA模块BUSBUCK_PWMTLC3574UC3854IREF同步降压电路FPGA6四、测试方案与测试结果4.4.4.4.测试仪器60M数字存储示波器，型号TektronixTDS1002；20MHz手持示波器，型号FLUKE-123；万用表2个，型号FLUKE-17B；数字式单相电参数测量仪，型号QINGZHI-8713B1。5.5.5.5.测试条件与测试结果ACA1V1A2V2变压器变压器AC-DC变换电路AC-DC变换电路0ISI+−UoUs图8测试框图（1）输出直流电压UO测试：在输入交流电压US=24V、输出直流电IO=2A时，用万用表测量输出直流电压UO，测试结果如表1。表1输出直流电压UO（US=24V）测试1测试2测试3测试4测试5IO/A2.0102.0102.0092.0052.008UO/V36.0036.0036.0036.0036.00（2）负载调整率SI测试：当Us=2