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1、瑞萨杯2013全国电子设计竞赛设计报告单相AC-DC 变换电路（A题）【本科组】摘要 ：本设计是基于被广泛应用在小功率及各种电子设备领域的开关电源而设计的直流供电电路。通过变压器将220V的单相工频交流电源降为24V，再经由AC-DC变换电路、boost电路升压，最后输出稳定的36V直流电压向负载供电，并在此基础上，实现输出电流在0.2A2.0A的范围内连续变化。此外当电源电压在20V30V的范围内发生波动时，能够保持输出电压基本不变。除了实现以上基本功能外，还对电路进行了过流保护。 关键词： 开关电源 AC-DC变换电路 boost电路 稳压Abstract：This design is b
2、ased on the low-power switch powers and those widely applied to all kinds of electronic devices to drive DC circuit .The 220V one-phase AC power is lowered to 24V with a transformer ,rectified with a AC-DC circuit ,then pulled up with a boost circuit to output permanent 36V DC voltage providing powe
3、r for load resistance,and on this circumstances,realizing that the output current can consistently change within the range of 0.2A to 2.0A.Besides,the output voltage should stay basically unchanged when the source voltage comes to fluctuating between 20V30V.This circuit is ensured with over-current
4、protection as well beside the basic functions as mentioned before. Keywords：switch power, AC-DC converting circuit , boost circuit , stabilivolt 目录1.设计任务与要求31.1设计任务(见附1)31.2设计要求(见附1)31.3题目分析32.方案的比较与论证32.1主电路方案的提出比较与选择32.2方案选择：42.3方案论证：52.4具体方案的确立53.系统硬件设计与元器件选择63.1系统的总体设计63.2 各个电路模块的设计64.系统软件设计104.
5、1程序总体流程图114.2功能模块的流程图125.系统测试125.1系统调试的方案（方法）125.2系统测试仪器125.3测试结果136.系统电路存在的不足和改进的方向与结论147.附录157.1 附录1 设计任务157.2 附录2 主电路原理图167.3 附录3 部分程序清单177.4 附录4 元器件清单227.5 附录5 参考文献221.设计任务与要求1.1设计任务(见附1)1.2设计要求(见附1)1.3题目分析开关电源电路是电力电子电路中的一种，被广泛应用在小功率及各种电子设备领域，顾名思义，开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源，对于AC/DC电路，主要控制对象是电压和电
6、流。本题目要求通过变压器和AC-DC变换电路实现将单相工频交流电转换为稳定在36V的直流电压输出。题目难点是在保证输出电压基本不变的前提下实现输出电流在一定的范围内变化，以及输入端电压在一定范围内波动时，保证输出电压稳定。2.方案的比较与论证2.1主电路方案的提出比较与选择方案一:图1 单相全桥电路直接采用单相全桥pwm控制电路。如图1所示，在整流运行状态下，当Us0时，有V2，VD4，VD1，Ls和V3，VD1，VD4，Ls分别组成了两个升压斩波电路。以包含V2的升压斩波电路为例，当V2导通时，Us通过V2，VD4向Ls储能，当V2关断时，Ls中储存的能量通过VD1，VD4向直流侧电容C充电
7、。当Us0时类似。因为电路按升压斩波电路工作，所以如果控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对电力半导体器件形成威胁。可以看出电压型PWM整流电路是升压型整流电路，满足题目要求。将输出电压采集回DSP比较后根据比较结果调节其PWM控制以使输出电压维持稳定。方案二：经过二极管整流桥将24V正弦波整流，然后经由BOOST电路升压到36V，主电路流程图如下：图2方案二流程图通过对负载的电压电流的采集，送到主控芯片，经过PID调节算法达到输出合适的PWM波，实现闭环控制，使电压电流达到额定。122.12.2方案选择：方案一中程序设计复杂，需要用到四路PWM波形来控制开关管，输出电压计算
8、不方便控制难度大。由于其电路即可升压也可降压，控制不当即可引起器件的损坏，难度大。对于间接电流控制动态性能差，而直接电流控制结构比较繁琐。方案二电路结构简单，原理清晰，易于控制所以选择方案二。2.3方案论证：图3 主电路原理图本系统是由一个变压器变压之后串联由二极管构成整流电路，再串联BOOST电路后接负载，通过控制PWM波的占空比即可控制负载的电压达到基本要求 。由BOOST电路公式，在电流连续下Vout=1/(1-a)*Vin,(注：a为PWM波的占空比)，可见只要选择合适的占空比的PWM波，就可以得到想要结果，在经过PID闭环调节，就可以进行精确的控制。2.4具体方案的确立 根据选定的主
9、电路方案，设计本系统的功能图模块，如下： 图4 系统整体流程针对本系统，进行分模块的设计，选用合适的方案。3.系统硬件设计与元器件选择3.1系统的总体设计设计思想：本系统是AC-DC的变换电路，有很广泛的应用，对认识和掌握AC-DC的相电路有很大意义。可直接接入工频电源的稳压供电尽量采用简洁可靠的软硬件环境，程序流程力求简单明了，从而充分利用现有资源，提高系统开发水平。 系统硬件电路模块化，便于硬件测试和电路查询。系统程序设计模块化，便于系统功能的各种组合和修改。设计步骤：1.分析系统要求，题目要求将220v交流电经变压器变压后经过电路输出36v电压，所以主电路应该包括整流模块与电压变换模块。
10、2.由于要求输出电压在负载变化时基本保持不变，在输入电压变化时也基本保持不变，故引入测量反馈电路。通过电压传感器和电流传感器对输出电压电流检测，经过主控芯片将输出采样的电压与36v比较根据比较结果来控制boost电路，以此来使输出电压稳定。3.由于要求额定电流2A，所以电路要有保护电路装置。设计合适的保护电路，4.主控芯片，各种传感器，和各种芯片需要供电电源，但是由于要求中并没有提供所以要从提供的24V交流源获取所需的电源，要设计合适的电源模块。3.2 各个电路模块的设计整流模块：为尽量是控制简单化，整流模块直接采用不可控的二极管来整流。减轻了主控的的负担。 图5 整流电路模块Boost电路模
11、块：图6 Boost电路模块在电流连续的情况下有下式：，其中=24v为了使电流连续并获得较好的效果，boost电路的参数选取如下：L1=700uH,C2=330vF驱动模块驱动MOSFET电压需要15v左右，而主控芯片的输出电压达不到，为了能成功驱动MOSFET需要加装驱动电路来对输出电压进行放大。由于集成芯片的性能良好，设计更加优良，而且有输入输出隔离比较适合使用，综合考虑选用A3120。该芯片是专门的IGBT的驱动芯片，芯片内部具有光电隔离，对输入和输出有隔离作用，这样不会对钱电路有影响。驱动模块的设计原理图如下：图7 驱动电路原理图辅助电源模块：由于芯片的工作需要直流电源，但是并没有提供
12、可用的直流源，所以购买成品电源模块，直接从220V电源出获取，以便让芯片正常工作。选用220V转直流模块JSJ55-A2T0515，提供稳定的直流供给芯片，使得芯片正常工作。过流保护：方案一用熔断丝，当电流多大熔断保护电路。但是要求过流2.5A0.3A时过流保护，熔断丝不能达到精确要求。方案不可用。方案二采用三极管的开关特性，用耐流大的三极管接到主电路，主控电路上电初始化将三极管导通使电路接通，当监测到过流主控发出信号将三极管关断，使之达到保护的作用。方案有可行行。 方案三在方案二的基础上改进，采用继电器jw2sn-dc12v。将常闭开关接入主电路，继电器电源正端经三极管后接入地端，三极管基极
13、接入主控芯片I/O口，主控芯片上电复位初始化使三极管处于关断状态，继电器不动作，主控芯片实时监测当前流过负载的电流，判断是否有过流，一旦过流，主控芯片使I/O电平变化导通三极管，使得继电器动作，将常闭开关断开，从而切断主电路，达到过流保护的作用。方案的可行性高，即可采用，过流保护的电路原理如如下： 图8 过流保护原理图功率因数调整电路：通过电压和电流传感器采集电源侧电压，负载侧电流，用编程方法计算相位差，经由PID调节，控制PWM占空比，实现功率因数的调整。原理图如下：图9 功率因数矫正的仿真原理图电压电流测量电路：对于输出负载与输入的电压电流测量采用电压传感器VSM025A与电流传感器CSM
14、005A。传感模块的引脚图如下：图10 VSM025A引脚图图11 CSM005A 传感器引脚图对于VSM025A是，将输出端M接到ADC采样，通过算法转换即可得到当前负载电压。对于CSM005A，使用其匝数比5:1000，原边额定输入5A，副边额定输出25mA，由于ADC采集的是电压信号，所以需要在其输出端接100电阻到地，然后将输出端M送到ADC采样，通过算法将当前的电流计算出来。由于不希望传感器输出的信号受到后级电路的影响，需要对信号进行隔离，可采用运放接成信号跟随器，将信号进行隔离，运放可采用具有双运放的LM358，隔离电路原理图如下：主电路设计由于将电路已经模块化，系统的组成即是各个
15、模块的拼接，主电路即为负责进行电压的变换。整个系统的综合设计图 系统原理图见附录2. 提高效率的方法1. 尽量选用低开关损耗的开关管；2. PWM波的频率要用合适的频率，太高在开关管上就会造成损耗加大；3. 整流桥要用压降小的二极管；4. 电路设计要合理不要冗余；5. 提高功率因数，减小电源侧无功功率；6. 其他方法等。4.系统软件设计TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。该芯片兼容TMS320LF2407指令系统最高可在150MHz主频下工作，并带有18K8位0等待周期片上SRAM和128k16位片上FLASH（存取时间36ns）。其
16、片上外设主要包括28路12位ADC（最快80ns转换时间）、带有两个事件管理模块（EVA、EVB），分别包括6路PWM/CWM、2路QEP、3路CAP、2路16位定时器（或TPWM/TCMP）。另外，该器件还有3个独立的32位CPU定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚TMS320F2812采用哈佛总线结构，具有密码保护机制，可进行双1616乘加和3232乘加操作，因而可兼顾控制和快速运算的双重功能。由于DSP2812芯片内部有12位的ADC，还有EVA，EVB分别具有6路PWM输出，省去了要用额外ADC和PWM发生芯片，使得系统得以简化，减少工作量，是系统可靠性得到增加，所以选择该芯片
17、作为电路的主控是很好的选择。 4.1程序总体流程图 程序主要目的是根据采样的电压电流计算功率因数，调节输出电压。题目要求输出在负载调节时和输入变化时保持稳定，同时也要保证整个电路的效率和功率因数。在整个实验过程中只有调节负载时和调节输入电压时可以手动调节，所以设置如下的程序流程：4.2功能模块的流程图 功率因数测量模块 过流保护模块5.系统测试5.1系统调试的方案（方法）由于系统对电路效率有一定的要求，所以需要测量AC/DC输入端、输出端电压、电流来计算功率因数与效率。测试采取直接测量负载端和变压器副边的电压电流。5.2系统测试仪器输出电压测试和输出波形纹波测试采用模拟示波器 型号DS1052
18、D电源提供采用工频220v直接接入单相电参数测量仪5.3测试结果(1)系统额定工作状态调节输入电压至，调节负载电阻使输出直流电流至.输出直流电压值为 Vout=36.1V输出电流值为 Iout=2A(2)负载变化时的工作状态在输入电压保持时，调节负载使输出电流在0.2A2.0A变化，每变动0.2A测量一次，同时计算每次的负载调整率。负载调整率的计算公式,其中 为时的直流输出电压，为时的直流输出电压。Vin/VVout/VIout/A电压调整率24V35.880.20.362%35.940.635.95135.961.435.991.836.012通过多次测量在时，即使负载变化使输出电流在0.2
19、A2.0A变化输出电压变化也很小。(3)AC/DC模块输入电压变化时的工作状态负载稳定即输出电流时，通过改变自耦变压器来改变输入电压使其在20V30V的范围内变化，每变动1V取一个测量点，同时计算电压调整率。电压调整率,为时的直流输出电压，为时的直流输出电压。Vin/VVout/V Iout/A负载调整率2035.9620.417%2235.9822436.0122636.0522836.1023036.112 通过多次测量在时，输入电压在20V30V变动时输出电压浮动不大，效果较为理想。 (4)过流保护电路测试 使输出电压稳定在36V，缓慢减小负载电阻，使得电流加大，测试出保护电路动作时的电
20、流。测试次数动作电流/A12.3522.3332.36(5)功率因数测量 通过使用单相电参数测量仪可测电源侧的功率因数，测试结果如下：测试次数功率因数10.720.6530.7140.7450.69可见功率因数较低，6.系统电路存在的不足和改进的方向与结论 电路存在的不足 1.由于电路的负载要流过2A的电流，所以主回路上的元器件在选取上药特别考虑其耐流性能。由于选择的不当，在实验过程中，有元件烧毁的现象。有的原件也处在临界工作状态，对电路的稳定性有较大的影响。2.功率因数校正的电路并没达到理想效果，交流侧的功率因数较低，可能与功率因数的调节只是从程序上调节，可能由于PID环节的各个参数设置不合
21、理。改进方向1充分考虑每个元件的性能选择合适的元件，减少不必要的浪费2针对功率因数较低，应该合理设置PID参数，还要从硬件上设计出合适的功率因数调节电路，从软硬件上共同调整功率因数。7.附录 7.1 附录1 设计任务 一、任务 设计并制作如图1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。 二、要求 1. 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=36V0.1V。 （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，
22、电压调整率SU 0.5%。 （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。2. 发挥部分 （1）实现功率因数校正，在Us=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。 （4）其他。7.2 附录2 主电路原理图待添加的隐
23、藏文字内容27.3 附录3 部分程序清单主程序清单：void main(void) /电压环参数 ref = 36; pid_udc.Ref = _IQ(ref); pid_udc.Kp = _IQ(0.5); /g=Kp+KI/S pid_udc.Ki = _IQ(0.05); pid_udc.Err_max = _IQ(4); pid_udc.Up = _IQ(0); pid_udc.Ui = _IQ(0); pid_udc.OutMin = _IQ(0); pid_udc.OutMax = _IQ(4);/电流环参数 pid_idc.Kp = _IQ(0.4); /g=Kp+KI/S p
24、id_idc.Ki = _IQ(0.238); pid_idc.Err_max = _IQ(0.3); pid_idc.Up = _IQ(0); pid_idc.Ui = _IQ(0); pid_idc.OutMin =_IQ(0.01); pid_idc.OutMax =_IQ(0.9); / Initialize System Control:/ PLL, WatchDog, enable Peripheral Clocks InitSysCtrl(); / For this example, set HSPCLK to SYSCLKOUT / 6 (25Mhz assuming 150M
25、hz SYSCLKOUT) EALLOW; SysCtrlRegs.HISPCP.all = 0x3; / HSPCLK = SYSCLKOUT/6 EDIS;/ Clear all interrupts and initialize PIE vector table:/ Disable CPU interrupts DINT;/ Initialize PIE control registers to their default state. InitPieCtrl();/ Disable CPU interrupts and clear all CPU interrupt flags: IE
26、R = 0x0000; IFR = 0x0000;/ Initialize the PIE vector table with pointers to the shell Interrupt InitPieVectTable(); InitGpio();/ Enable PWM pins EALLOW; GpioMuxRegs.GPAMUX.all = 0x0003; / EVA PWM 1-2 pins CAP1 GpioMuxRegs.GPADIR.bit.GPIOA3 = 1;/pwm3口工作在I/O输出状态 GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA3 = 0;/pwm
27、3口输出低电平 EDIS; InitAdc();/定义中断入口 EALLOW; PieVectTable.ADCINT = &adc_isr;/AD转换完成中断 EDIS;/开中断 PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx6 = 1;/Enable ADCINT IER |= M_INT1; / Enable CPU Interrupt 1 EINT;/ Enable Global interrupt INTM ERTM;/ Initialize all the Device Peripherals/Configure ADC AdcRegs.ADCMAXCONV.all =
28、0x0002; / Setup 2 convs on SEQ1 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00 = 0x0; / Setup ADCINA0(J6s ADCIN00) as 1st SEQ1 conv./输出电压 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01 = 0x2; / Setup ADCINA2(J6s ADCIN01) as 1st SEQ1 conv./电感电流 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV02 = 0x4; / Setup ADCINA4(J6s ADCIN01) as 1st SEQ1 conv./
29、输入电压 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV03 = 0x6; / Setup ADCINA6(J6s ADCIN01) as 1st SEQ1 conv./输出电流 AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVA_SOC_SEQ1 = 1; / Enable EVASOC to start SEQ1 AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_ENA_SEQ1 = 1; / Enable SEQ1 interrupt (every EOS)/ Configure EVA/ Assumes EVA Clock is already enabled in InitSy
30、sCtrl();/ Initalize EVA Timer1 EvaRegs.T1PR = 0x0270; / Timer1 period(2*624)-20kHz) EvaRegs.T1CMPR = 0x0000; / Timer1 compare EvaRegs.T1CNT = 0x0000; / Timer1 counter EvaRegs.GPTCONA.bit.T1TOADC = 1; / Enable EVASOC in EVA (Setting of underflow interrupt flag starts ADC)/ TMODE = continuous up/down/
31、 Timer enable/ Timer compare enable EvaRegs.T1CON.all = 0x0842; / Enable timer 1 compare / Enable compare for PWM1-PWM6(PWM1控制电压.PWM3控制电流) EvaRegs.CMPR1 = 0x0138;/ Compare action control. Action that takes place/ on a cmpare event/ output pin 1 CMPR1 - active high/ output pin 2 CMPR1 - active low/ o
32、utput pin 3 CMPR2 - active high/ output pin 4 CMPR2 - active low/ output pin 5 CMPR3 - active high/ output pin 6 CMPR3 - active low EvaRegs.ACTRA.all = 0x0666; EvaRegs.DBTCONA.all = 0x0000; / Disable deadband EvaRegs.COMCONA.all = 0x8600;/T1CNT=0时赋比较值 for(;) if(stop_f = 1) EALLOW; GpioDataRegs.GPASE
33、T.bit.GPIOA3 = 1;/pwm3口输出高电平 EDIS; interrupt void adc_isr(void) Voltage_h = AdcRegs.ADCRESULT04 ;/输出电压 Current_q = AdcRegs.ADCRESULT14 ;/电感电流 v_in = AdcRegs.ADCRESULT24 ;/输入电压 i_out = AdcRegs.ADCRESULT34 ;/输出电流 /*if(i_out 0xfff) stop_f = 1; */ /Voltage*2.94/(212)*(215)*15.54;缩小10倍，之后累加10次 vo += _IQm
34、py(Voltage_h, _IQ(35);/vo=0.1*V输出 686 /v_in*2.86/(212)*(215)/97.2/2.5*3570;再缩小10倍 v1 = _IQmpy(v_in, _IQ(17.6);/v1=0.05*V输入 n+; view1nn= 20*_IQtoF(v1); /*if(n=10) /vo += _IQmpy(Voltage_h, _IQ(35);/vo=0.1*V输出 686 pid_reg3_calc(&pid_udc, vo); pid_idc.Ref = _IQmpy(pid_udc.Out, v1); n=0; vo = 0; */ pid_i
35、dc.Ref = _IQmpy(_IQ(1), v1);/Current_q*2.94/(212)/50.5/0.025*5*(215); i = _IQmpy(Current_q, _IQ(93.5);/i=i view2nn= _IQtoF(i)/4; pid_reg3_calc(&pid_idc, i); xx = _IQtoF(pid_idc.Out); EvaRegs.CMPR1 = EvaRegs.T1PR * xx; nn+; if(nn = 800) nn = 0; / Reinitialize for next ADC sequence AdcRegs.ADCTRL2.bit
36、.RST_SEQ1 = 1; / Reset SEQ1 AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; / Clear INT SEQ1 bit PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; / Acknowledge interrupt to PIE return;7.4 附录4 元器件清单器件型号/器件值器件类型器件个数TMS320F2812DSP电路主控芯片1JSJ55-A2T0515220V转直流电源模块1LM358双运放芯片2A3120IGBT驱动芯片1CSM005A电流传感器2VSM025A电压传感器21N4007普通二极管若干jw2sn-dc12v继电器150，100，270电阻若干10nF,0.1uF陶瓷电容若干330uF/400V电解电容1K30T60IGBT开关管1端子，导线，铜柱，螺母等若干100W-220V220V变24V变压器18050三极管若干7.5 附录5 参考文献1 王兆安, 刘进军. 电力电子技术M. 第5版. 北京:机械工业出版社, 2013.2 徐科军, 陈志辉. TMS320F2812 DSP应用技术M. 第1版. 北京:科学出版社, 2010.
