自动化系卓越工程师

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1、自动化系“卓越工程师”首届电子创新设计竞赛竞赛选题：参赛队名称：负责人姓名：参赛队员姓名：负责人联系方式：年月日-1-单相AC-DC变换电路设计报告摘要设计一个带有功率因数校正（PowerFactorCorrection）的单相AC-DC变换电路，系统主要部分包括：功率因数检测电路，功率因数校正电路，同步整流DC-DC电路，由16Bit高精度差分式ADC组成的电流电压采样电路，以及采用32位微控制器STM32搭建的电源PID控制核心。本设计能够在完成基本AC-DC变换的同时，检测并校正电源的功率因数，并使用PID算法进行调控电源的输出，达到较高的电压调整率以及负载调整率，电源整体效率达到9

2、5%以上。关键词：功率因数校正,同步整流,PID控制-1-一、系统设计方案论证与比较在本设计中，采用电路模块设计思想，对整个电路以模块为单元，进行分析、比较和论证,系统总体结构图如图1-1所示。图1-1系统总体结构图1.数模转换模块（DAC）方案论证与选择方案一：采用DAC5574作为数模转换芯片DAC5574是8位四通道数模转换器，可以将数字量转化成模拟量输出。主机通过IIC总线技术和该转换器通信，并可以方便地选择不同的通道输出模拟信号。虽然DAC5574的控制模式很多，但是它仅仅是8位，无法满足本设计要求的采样转化精度，故不采用此方案。方案二：采用TLC5616作为数模转换芯片TLC5

3、616是12位单通道电压输出型数模转换器，可独立接入外部电压参考，电流输出能力达到1mA，转换速率达到3us一次，功耗低至1mW。主机通过高速SPI总线与其通信，通信速率可达18Mbps。精度以及速度都能满足本系统的要求。故采用此方案。2.模数转换模块（ADC）方案论证与选择方案一：采用单片机片内模数转换模块-1-单片机片内模数转换模块的优点是模块集成于单片机内部，启动转换和读取数据的过程都能够被简化，减少了程序开销。但是由于大部分单片机内部集成的模数转换模块都不具有外部输入参考电压的功能。而且由于集成于片内，测量会受到数字电路噪声的干扰，故不采用此方案。方案二：使用ADS1115模数转换

4、芯片ADS1115是德州仪器生产的4通道16Bit高精度模数转换芯片，能够使用IIC通信协议进行数据读取和转换选项设置。4个模拟输入通道可以根据要求配置成4路单端输入，和2路差分输入。转换速率能够达到860次每秒，并带有电压门限比较和内部可编程放大器（PGA）。使用其两路差分输入，以及内部可编程放大器，能够很好地满足本设计的要求。故采用此方案。3.功率因数测量方案论证与选择方案一：采用数字化离散测量使用模数转换模块将电流和电压信息进行连续采集，然后使用快速傅里叶变换算法（FFT），分别求出基波电压和电流的初相位，然后根据相位差计算功率因数。但是本方案容易受频率变化和频谱泄露因素的影响，在对

5、模数转换模块的速度有较高要求的同时，还要求主控芯片实时进行大量数学运算。故不采用此方案。方案二：采用过零比较电路进行测量通过把电压波形输入过零比较电路进行整形，对电流波形使用电流互感器进行隔离采集。能够得到和两路相位和电压电流波形对应的方波，只要通过单片机结合外部中断和内部定时器就可以得到两路方波的相位差。电路结构简单，程序开销小，精度满足系统设计要求。故采用此方案。4.电流测量方案论证与选择方案一：采用ACS712线性电流传感器ACS712是一种线性电流传感器，改器件内置有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。但是该传感器会受地磁场的干扰，导致采集的电

6、压值有很大的误差，不能满足本设计高精度的要求，故不采用。方案二：采样电阻结合运放放大-1-将电流采样电阻两端的电压输入到高精度宽共模范围窄带宽运放INA282，经过放大后使用差分输入模数转换器进行采集，就能够得到精确的电流大小。由于采用了运放放大，采样电阻可以选择到0.02欧姆，可以减小测量电路的电能消耗。故采用此方案。5.功率因数校正方案论证与选择方案一：采用无源被动式功率因数校正方案被动式功率因数校正也被称为“填谷式功率因数校正”，简单的示意图如图1-2所示。图1-2示意图两个电容切换充放电状态，把原来迅速向谷底下跌的波形进行了平滑拉升，提高了电压电流的相位一致性，因而提高了功率因数。

7、由于电容容值的限制,被动式功率因数校正的功率因数提升效果非常有限，达不到系统设计要求，故不采用。方案二：采用Boost升压式功率因数校正：NPC1653NPC1653片内集成了连续导通工作模式(CCM)的功率因数校正核心，在Boost升压拓扑结构的基础上加入电流闭环控制，使得输入部分的电流波形和电压波形相位一致，达到校正功率因数的目的。Boost升压式功率因数校正电路元件体积小，校正效果好，满足系统设计要求，故采用此方案