基于UCC28019的功率因数校正实验平台设计

来源：电子产品世界　2021-12-17 10:00:09

作者吴振宇吴冀平杨启涯辛全彬大连理工大学创新创业学院(辽宁大连 116023)

摘要：基于有源功率因数校准技术，设计了一款高功率因数开关电源实验平台，平台具有自动功率因数校正，结构简单，保护措施完善等优势。平台整体系统设计以德州仪器公司的APFC芯片UCC28019为核心器件，采用电流内环加电压外环的双闭环控制，保证了系统功率因数不低于0.95，采用电流电压互感器采集信号相位，测量并实现功率因数实时显示，同时也可对异常输出进行继电保护。电源系统采用BOOST升压电路，在输出36V/2A额定条件下效率不低于95%，采用良好的闭环反馈电路补偿机制，电压调整率和负载调整率均不高于0.5%。控制核心采用Freescale的MC9S12XS128单片机，完成功率因数测量、电压/电流的动态测量、参数显示、过流保护等功能。测试表明，整体系统运行性能稳定，各项技术指标均达到设计需求。

1 系统方案

本实验平台主要由BOOST升压电源模块、功率因数采集模块、单片机运算模块、功率因数校准及设定模块、电源模块组成，系统设计框图如图1，下面分别讨论各模块电路选用的基础。

1.1 电源模块

采用BOOST拓扑结构的开关电源。该拓扑具有电路简单、电源侧电流波动小等优点，同时也可让学生充分体验开关升压电路的技术特点和重要设计参数，了解电感手工制作过程。相比于推挽拓扑，本设计结构简单，且更适用于小功率型电源。

1.2 功率因数采集模块

本方案采用电流互感器、电压互感器采集电流电压相位信息，经过放大等处理后由单片机算得相位差，进而求解功率因数，与集成计量芯片ATT7053芯片方案^[3-5]相比较，本方案具有良好的电气隔离性能、成本低，且对原电路影响小等优点。

1.3 功率因数校准及设定模块

UCC28019是德州仪器公司生产的专用功率因数校正芯片，芯片接口简洁，且具有自动功率因数校正的功能，可完美与BOOST电路配合使用^[6]，完全解决了用软件设定开关管关断延迟而导致的不确定因素，提升了电路稳定性^[7]。

2 电路与程序设计

2.1 功率因数校正模块设计

功率因数校正部分基于UCC28019设计，主要分为输入继电保护部分、BOOST电路功率变换部分、UCC28019周边电路、IRF540功率MOS开关管及驱动电路、输出反馈电路。其中，继保部分利用单片机检测到的输出电流电压值控制继电器开断，对系统异常做出处理，设定为输出电流大于2.5A保护;BOOST电路部分设计为输出额定电压36V，并且采用了二极管阻容电路对尖峰电压进行抑制;UCC28019周边电路参考德州仪器给出的设计手册，结合实际需要进行修改;由于系统功率不超过100W，电流也较小，故采用MOS管进行开断，节约了开关驱动部分成本，IRF540也具有导通阻抗小的优势，有利于提升系统的效率;反馈电路采用电阻分压的方案，使用抗温飘性能好的精密电阻，保证系统稳定工作，且设置电位器改变输出电压值以胜任不同需求。电路原理设计如图2。

2.2 功率因数测量模块及程序设计

系统设计了功率因数测量单元，用于实时测定功率因数，同时判定是否需要发出继电保护信号，功率因数测量模块设计框图如图3。

功率因数采集单元安装互感器测量电流电压信号，用OP07及LM358构成放大跟随电路，互感器得出的信号可以放大到单片机内部AD可以直接采集的大小，而后直接交由单片机处理。小信号处理部分原理图设计如图4所示。

本系统采用Freescale的MC9S12XS128单片机，完成功率因数测量，并实现电压、电流等动态参数显示，同时通过测得电流值快速实现过流保护等功能。采集及继电保护软件流程如图5。

3 测试方案与测试结果

3.1 测试方案

首先上电调试反馈电路使系统稳定工作，而后依次测试电路电压调整率、负载调整率、效率等参数。测试前保证设定输出电压为36V，输出电流为2A额定状态，测量输入电压在20~30V间变化时的输出电压得出电压调整率并计算效率，同时记录系统功率因数。而后，调整输出负载，使输出电压在0.2~2.5A间变化，测量输出电压变化，得出负载调整率，同时验证系统在电流超过2.5A时是否可以自行保护^[8]。

3.2 测试结果及分析

测试数据如表1、表2所示。由数据得出系统电压调整率不高于0.5%，负载调整率不高于0.5%，效率等参数不低于95%，功率因数不低于0.95。可实现过流保护，保护电流为2.5A。

3.3 测试结果及分析

综上所述，本设计用BOOST升压电路实现了功率因素测量与校正，满足教学中关于功率因数校正问题实际验证的需求，体现功率因数校正的意义与方法。同时模块还可应用于BOOST电路的示教和设计教学，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]张桂东,张波,李忠,等.一种基于图论的电力电子拓扑构造方法[C]//中国电源学会第二十届学术年会. 2013.

[2]宋卓.浅谈电子式互感器的原理及比较[J].轻工科技, 2009, (2):60-61.

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[5]燕哲.基于单片机的PWM型开关稳压电源设计[J].电子技术与软件工程, 2015, (05):262-263.

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