電子發(fā)燒友App
ACDC變換電路設(shè)計(jì)（單相）
近幾年來(lái)，隨著電子技術(shù)和制造工藝的不斷發(fā)展和電源技術(shù)的日益成熟，人們對(duì)電源的轉(zhuǎn)換效率提出了越來(lái)越高的要求．在電氣領(lǐng)域中，開(kāi)關(guān)電源占據(jù)著舉足輕重的位置，高效率是未來(lái)電源發(fā)展的必然趨勢(shì)．傳統(tǒng)的ＡＣ－ＤＣ變換電路由于要通過(guò)高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換，很難將效率提高到更高的層次，也很難降低電源的紋波．本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的高效率的單相ＡＣ－ＤＣ變換電路，可以輸出恒定的３６Ｖ直流電壓，在額定輸出電流為２Ａ?xí)r，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)９０％以上的電源轉(zhuǎn)換效率．高效率、低紋波的電源轉(zhuǎn)換不僅可以提供更加可靠的供電系統(tǒng)，同時(shí)也可以帶來(lái)非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益．
?。?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
?。保?設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作如圖１所示的單相ＡＣ－ＤＣ變換電路．輸出直流電壓穩(wěn)定在３６Ｖ，輸出電流額定值２Ａ．要求：在輸入交流電壓ＵＳ＝２４Ｖ、輸出直流電流Ｉ０＝２Ａ的條件下，使輸出直流電壓Ｕ０＝（３６±０．１）Ｖ；當(dāng)ＵＳ＝２４Ｖ，Ｉ０在０．２～２．０Ａ范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率ＳＩ≤０．５％；當(dāng)Ｉ０＝２Ａ，ＵＳ在２０～３０Ｖ范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓調(diào)整率ＳＵ≤０．５％；設(shè)計(jì)并制作功率因數(shù)測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)ＡＣ－ＤＣ變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測(cè)量，測(cè)量誤差絕對(duì)值不大于０．０３；具有輸出過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流為（２．５±０．２）Ａ，在保證完成上述要求的基礎(chǔ)上最大限度地提高功率因數(shù)和電源的效率，能夠根據(jù)設(shè)定自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù)．
?。保蚕到y(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖２．外部２２０Ｖ交流電經(jīng)過(guò)隔離變壓器變換出本設(shè)計(jì)所需的２４Ｖ單相工頻交流電．為滿足輸出大電流的要求，本設(shè)計(jì)采用２２０～３６Ｖ的隔離變壓器搭配調(diào)壓變壓器提供２０～３０Ｖ的交流電壓輸入．在本次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，單相２４Ｖ工頻交流電經(jīng)過(guò)ＡＣ－ＤＣ變換電路輸出恒定的３６Ｖ直流電壓給可變負(fù)載Ｒ１供電［１］．為實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的測(cè)量和補(bǔ)償以及電路系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)，需要對(duì)ＡＣ－ＤＣ變換電路的輸入和輸出端同時(shí)進(jìn)行電壓和電流的采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)送給ＡＶＲ單片機(jī)內(nèi)部的Ａ／Ｄ進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出相應(yīng)的控制．
單片機(jī)可以將測(cè)量計(jì)算得到的功率因數(shù)送給ＬＣＤ顯示，同時(shí)可以根據(jù)鍵盤(pán)的動(dòng)作觸發(fā)繼電器工作，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的補(bǔ)償；當(dāng)系統(tǒng)電流達(dá)到設(shè)計(jì)的初始值時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)模塊自動(dòng)切斷電路，并在電流減小到保護(hù)值時(shí)自動(dòng)恢復(fù)工作．為給系統(tǒng)的其他芯片提供工作電壓，本設(shè)計(jì)另外設(shè)置了一套輔助電源，包括＋５，＋１２，－１２Ｖ在內(nèi)的常用電壓
１．３系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)１．３．１ＡＣ－ＤＣ主模塊電路ＡＣ－ＤＣ主模塊電路原理圖見(jiàn)圖３．本模塊電路由超低功耗整流器模塊和ＤＣ－ＤＣ升壓模塊兩部分構(gòu)成．超低功耗整流器主要由二極管橋控制器ＬＴ４３２０驅(qū)動(dòng)４個(gè)導(dǎo)通電阻和飽和壓降極低的Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了單相交流電到直流電的超高效轉(zhuǎn)換．ＤＣ－ＤＣ升壓模塊以高效開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器ＬＴＣ３７８９為核心，搭配適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù)實(shí)現(xiàn)３６Ｖ的恒壓輸出．
ＬＴ４３２０是一款用于９～７２Ｖ系統(tǒng)的理想二極管橋控制器．它采用低功耗Ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ替代了
全波整流器中的全部４個(gè)二極管，以顯著地降低功率耗散并增加可用電壓，極大地提升了轉(zhuǎn)換效率．ＬＴ４３２０開(kāi)關(guān)控制電路平穩(wěn)地接通兩個(gè)適當(dāng)?shù)模停希樱疲牛?，同時(shí)將另外兩個(gè)ＭＯＳＦＥＴ保持在關(guān)斷狀態(tài)以防止反向電流，ＭＯＳＦＥＴ的選擇在１Ｗ到幾ｋＷ的功率級(jí)別范圍內(nèi)，提供了最大的靈活性．控制器的工作頻率范圍為ＤＣ０～６００Ｈｚ以及低至１．５ｍＡ的靜態(tài)電流和－４０～＋８５℃的寬工作溫度范圍很好的滿足了本設(shè)計(jì)的要求．ＬＴＣ３７８９是一款峰值效率高達(dá)９８％的同步降壓－升壓型ＤＣ／ＤＣ控制器．該器件以高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓工作．ＬＴＣ３７８９以２００～６００ｋＨｚ的可選固定頻率工作，也可以用其集成的鎖相環(huán)（ＰＬＬ）同步至相同范圍的外部時(shí)鐘，４～３８Ｖ的寬輸入范圍、０．８～３８Ｖ的寬輸出范圍．此外ＬＴＣ３７８９具有可調(diào)軟啟動(dòng)和良好的電源輸出，并在－４０～１２５℃的工作結(jié)溫范圍內(nèi)保持±１．５％的基準(zhǔn)電壓準(zhǔn)確度．因此，本設(shè)計(jì)所采用的以ＬＴ４３２０和ＬＴＣ３７８９為核心構(gòu)成的ＡＣ－ＤＣ變換電路模塊具有非常高的實(shí)用價(jià)值。
?。保常补β室驍?shù)測(cè)量模塊電路功率因數(shù)測(cè)量模塊電路原理圖見(jiàn)圖４．通過(guò)過(guò)零比較電路檢測(cè)出電壓和電流的相位差，然后把數(shù)據(jù)送給Ａｔｍｅｇａ１２８單片機(jī)的Ａ／Ｄ進(jìn)行分析計(jì)算，輸出系統(tǒng)的功率因數(shù)．功率因數(shù)是交流電路中電壓與電流之間的相位差φ的余弦，記作ｃｏｓφ，也是有功功率Ｐ和無(wú)功功率Ｓ的比值．功率因數(shù)過(guò)低會(huì)影響電源的效率，提高功率因數(shù)具有極高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，因此功率因數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)具有十分重要的意義［２］．在交流電路中，有功功率是指一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出或負(fù)載消耗的瞬時(shí)功率的積分的平均值；無(wú)功功率是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)，并用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率．
將交流輸入端的電流（轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)）與電壓分別接入過(guò)零比較器的兩個(gè)輸入端，從而將輸入電流與輸入電壓由原先的正弦信號(hào)整形為脈沖信號(hào)，最后將兩路不同相位的脈沖信號(hào)通過(guò)異或門(mén)后輸出，輸出方波的脈沖寬度即表征了交流電壓與電流的相位差，而相位差與功率因數(shù)呈線性關(guān)系，進(jìn)而得到功率因數(shù)．本測(cè)量電路主要由集成運(yùn)放ＬＭ３５８搭建適當(dāng)?shù)碾娐?，?shí)現(xiàn)交流電壓和電流信號(hào)的跟隨和放大，經(jīng)過(guò)放大器電路處理過(guò)的兩路信號(hào)送入電壓比較器ＬＭ３９３，再將比較器輸出的信號(hào)送入數(shù)字異或門(mén)７４８６，最后將輸出結(jié)果送與單片機(jī)做處理．本電路用最基本的電路設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的測(cè)量，通過(guò)調(diào)節(jié)電路參數(shù)，使測(cè)量電路具有了很高的準(zhǔn)確性．
?。保常彻β室驍?shù)補(bǔ)償和過(guò)流保護(hù)電路功率因數(shù)補(bǔ)償電路見(jiàn)圖５．在電路系統(tǒng)中電容電壓的相位滯后于電流的相位，而電感電壓的相位超前于電流的相位，所以電感和電容的組合補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的補(bǔ)償．組合電感串聯(lián)于交流電路中，組合電容并聯(lián)于電路中，通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配的組合并自動(dòng)接入到電源電路中去．功率因數(shù)補(bǔ)償大多數(shù)采用無(wú)源或有源兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用基于ＬＣ構(gòu)成濾波器的無(wú)源補(bǔ)償方式，盡管采用開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)模塊的補(bǔ)償方式有更好的諧波抑制效果，但是無(wú)源ＬＣ補(bǔ)償方式可以提升更高的效率［３］．在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器的方法可用電容器的無(wú)功功率來(lái)補(bǔ)償感性負(fù)載的無(wú)功功率，從而減少甚至消除感性負(fù)載于電源之間原有的能量交換［４］．由于補(bǔ)償電容器會(huì)對(duì)電源中的諧波有放大作用，為避免諧波放大，所選電容器與所串感性電抗器參數(shù)應(yīng)合理搭配，即電容器串聯(lián)電抗回路只要對(duì)某次諧波呈感性，此諧波就不會(huì)被放大進(jìn)入系統(tǒng)，即串聯(lián)電抗回路對(duì)某次諧波的吸收功能
過(guò)流保護(hù)電路見(jiàn)圖６．將單片機(jī)控制的繼電器串接到ＤＣ部分的直流電路中，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電流傳感器的電流值達(dá)到設(shè)定值，便切斷電路，當(dāng)電流減小到設(shè)定值之下單片機(jī)觸發(fā)繼電器來(lái)接通電路，通過(guò)本系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)并自動(dòng)恢復(fù)的功能，調(diào)節(jié)電流傳感器的參數(shù)，可以達(dá)到±０．１Ａ的控制精度．
?。矄纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)
２．１控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)硬件電路見(jiàn)圖７．本系統(tǒng)采用Ａｔｍｅｇａ１２８單片機(jī)作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入交流電壓和電流以及直流電壓和電流信號(hào)的采集和處理［６］，并完成對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償電路、過(guò)流保護(hù)電路的控制．Ａｔ－ｍｅｇａ１２８單片機(jī)是Ａｔｍｅｌ公司生產(chǎn)的高性能８位ＭＣＵ，其內(nèi)置８路１０位ＡＤ，可以完成多路數(shù)據(jù)的采集．Ａｔｍｅｇａ１２８單片機(jī)通過(guò)外部中斷進(jìn)行鍵盤(pán)的實(shí)時(shí)掃描，此外單片機(jī)通過(guò)串行方式控制１２８６４液晶并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，節(jié)省了單片機(jī)的硬件資源．
?。玻部刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序流程圖見(jiàn)圖８．系統(tǒng)上電后，首先初始化液晶屏和ＡＤ轉(zhuǎn)換器，４路ＡＤ轉(zhuǎn)換器分別采集輸入電壓信號(hào)、輸入電流信號(hào)、輸出電壓信號(hào)、輸出電流信號(hào)，若輸出電流過(guò)大，立即控制繼電器，切斷輸出回路，進(jìn)入過(guò)流保護(hù)狀態(tài)，１０ｓ過(guò)后控制繼電器使電路恢復(fù)正常工作［７］．單片機(jī)通過(guò)液晶屏顯示輸入電流、輸入電壓、功率因數(shù)以及輸出電壓、輸出電流，若功率因數(shù)小于１，通過(guò)功率因數(shù)控制模塊自動(dòng)補(bǔ)償功率因數(shù)．然后單片機(jī)掃描按鍵，提供３個(gè)可選的子功能，分別為：設(shè)定功率因數(shù)、功率因數(shù)向１補(bǔ)償、設(shè)定過(guò)流保護(hù)電流值．其中，“設(shè)定功率因數(shù)”指可在一定范圍內(nèi)設(shè)定功率因數(shù)的大小，單片機(jī)通過(guò)功率因數(shù)控制模塊自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù)到設(shè)定值，“設(shè)定過(guò)流保護(hù)值”即指可以在一定范圍內(nèi)人為設(shè)定最大保護(hù)電流．
?。诚到y(tǒng)測(cè)試
?。常毕到y(tǒng)測(cè)試方案
系統(tǒng)測(cè)試方案見(jiàn)圖９．若要對(duì)ＡＣ－ＤＣ變換電路的效率進(jìn)行檢測(cè)，需要在系統(tǒng)輸入端和輸出端設(shè)置測(cè)試端口，以便于得到輸入輸出端的電流和電壓，即ＵＳ，ＩＳ，Ｕ０，Ｉ０，效率計(jì)算公式為
4、結(jié)論
高效率、低紋波開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是未來(lái)電源技術(shù)發(fā)展的方向，而帶有功率因數(shù)檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)碾娫聪到y(tǒng)也必定會(huì)為節(jié)能減排做出突出的貢獻(xiàn)．本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ＡＣ－ＤＣ變換電路一改傳統(tǒng)的基于變壓器的ＡＣ－ＤＣ變換技術(shù)，應(yīng)用超低功耗二極管橋控制器結(jié)合超高效的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器的方式實(shí)現(xiàn)電源的變換，同時(shí)輔助功率因數(shù)檢測(cè)和補(bǔ)償電路，最大限度地提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，并能夠很好地控制電源的紋波．由于本設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)變換電源效率的瓶頸，所以在類似于計(jì)算機(jī)所用的低壓電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論