3.设计方案评定与选择
89C52单片机控制模块、LCD液晶显示模块、按键控制模块、直流电源供电模块组成。在本设计中，核心采用PFC校正技术，因此重点对PFC控制方案的选取进行论证。
方案一：使用PWM斩波后利用高频变压器隔离升压的方案。该方案电
路原理简单，所需元器件少，方便焊接。但由于高频变压器的加工设计等问题，改进难度大，使用受到限制，而且其电压需要高频整流滤波，电压毛刺较大，精度低，所以不用该方案。
方案二：选用TI公司的UC3854。UC3854封装引脚多，从而导致应用
电路复杂，线路之间的干扰较大，因此产品的噪声较大。对焊接工艺要求较高，而且调试电路的难度较大。UC3854 组成的PFC 电路还需要调节电压放大器电流、放大器和乘法器。
方案三：采用带PFC的Boost型DC—DC升压器。该电路有专用的控
制芯片，容易实现，电路结构简单，同时采用PFC功率因数校正技术，功耗低，输出电压范围宽。输出电压波形中毛刺也比方案一要小。选用TI公司的UCC28019。UCC28019交流输入市电电流总谐波畸变率低，功率校正因数高，抗干扰能力强，封装引脚较少，PFC控制部分电路相对简单。只需调节一个放大器的补偿网络即可, 高压起动源直接接在高压输入端，光耦直接接到IC 的端子，不再处理放大器的补偿，前沿消隐做在IC 内部，IC 外部只有电流取样。这样的做法使设计的步骤减少了。
综合比较，选择方案三。 方案流程图如图2所示
220V交流电自耦变压器隔离变压器桥式整流电路Boost升压电路负载PFC控制功率因数检测A/D转换单片机电压电流检测LCD液晶显示
图2 方案流程图
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4.单元模块设计
4.1 AC/DC电源模块
自耦变压器是输出和输入共用一组线圈的特殊变压器。通过改变初、次级的线圈匝数比的关系来改变初、次级线圈端电压，实现电压的变换。由于初级和次级线圈直接相连，致使会有跨级漏电的危险。
隔离变压器是一种1/1的变压器，它的输出端跟输入端是完全“断路”隔离的，这样就有效的对变压器的输入端起到了一个良好的过滤作用，从而给用电设备提供了纯净的电源电压。加之它的次级不与大地相连，任意两线与大地之间没有电位差，人接触任意一条线都不会发生触电，这样就比较安全。
由于MOSFET管工作时频繁的开关，因此对电路的干扰较大，在整流电路前加入EMI滤波电路，从而达到降低噪声的作用。设计中还加入了压敏电阻VAR1,当电路中回路电流过大时，压敏电阻VAR1闭合保险丝F1熔断从而达到保护电路的目的。当输入为220V交流电压时，首先经过隔离变压器降至18V左右交流电压。再经过保护和滤波后输出端接入整流桥，整流部分选用了全波桥式整流电路，输出为直流电压。在选择二极管时，其额定正向电流必须大于流过它的平均电流ID，其反向击穿电压必须大于它两端承受的最大反向电压VRM 。由此确定整流二极管的参数。
利用上述特点，按自耦变压器、隔离变压器和桥式整流器的顺序将三者连接起来，就够成了一个可调、滤波、安全的AC/DC降压模块，如图3所示。
图3
AC/DC降压模块
4.2 Boost升压模块
4.2.1Boost升压结构特性分析
Boost升压电路，可以工作在电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式(CCM)。CCM工作模式适合大功率输出电路，考虑到负载达到10％以上时，电感电流需保持连续状态，因此，按CCM工作模式来进行特性分析。Boost拓扑结构升压电路基本波形如图3所示
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图4 Boost升压电路基本波形
ton时，开关管S为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为Vi，考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降Vs，即为Vi-Vs。ton时通过L的电流增加部分△ILon满足式(1)。
(Vi?Vs)tonL (1)
?ILon?式中：Vs为开关管导通时的压降和电流取样电阻Rs上的压降之和，约0.6~0.9V。
toff时，开关管S截止，二极管D处于导通状态，储存在电感L中的能量提供给输出，流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管D的正向电压为Vf，toff时，电感L两端的电压为Vo+Vf-Vi，电流的减少部分△ILoff满足式(2)。
(VO?Vf?VI)toffL?ILon? (2)
式中：Vf为整流二极管正向压降，快恢复二极管约0.8V，肖特基二极管约0.5V。 在电路稳定状态下，即从电流连续后到最大输出时，△ILon=△ILoFf，由式(1)
和(2)可得
toff
ton?Vi?VsVo?Vf?vi (3)
因占空比D?ton/T，即最大占空比Dmax
Dmax?Vo?Vf?ViVo?Vi_Vs?Vo?ViVo (4)
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如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率，即
Vi*IL(avr)?Vo*Io由式(4)和式(5)得电感器平均电流
(5)
IL(ave)?Io1?D (6)
同时由式(1)得电感器电流纹波
?IL?(Vi?Vs)DLf (7)
式中：f为开关频率。为保证电流连续，电感电流应满足
IL(ave)??IL/2 (8)
考虑到式(6)、式(7)和式(8)，可得到满足电流连续情况下的电感值为
L?2(Vi?Vs)D(1?D)Iof (9)
另外，由Boost升压电路结构可知，开关管电流峰值Is(max)=二极管电流峰值Id(max)=电感器电流峰值ILP，
ILP?IL(ave)?(?IL/2) (10)
开关管耐压
Vds(of)f?Vo?Vi (11)
二极管反向耐压Vr?Vo?Va (12)
4.2.2 样机电路设计
样机的电路图如图2所示，是基于UCC28019控制的升压式DC／DC变换器。电路的技术指标为：输入Vi=18V，输出Vo=30V、Io=2A，频率f≈49 kHz，输出纹波噪声1％。根据技术指标要求，结合Boost电路结构的定性分析，对图5的样机电路设计与关键参数的选择进行具体的说明。
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图5 Boost升压模块
4.2.3储能电感L
根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4)得
VO?Vi30?18DMAX≈VO＝30=0.4当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足式(9)，
2(Vi?Vs)D(1?D)2*(18?0.9)*0.4*(1?0.4)I0f2*2000 L≥==220μH同时考虑在10％额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波
电流为平均电流的20％~30％，因增加△IL可以减小电感L，但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容C2，取30％为平衡点，即
?IL?30%*IL(ave)?30%*io2?30%*?1.25A1?D1?0.4
流过电感L的峰值电流由式（10）得
ILP?IL(ave)?(?IL/2)?1.25*IO2?1.25*?4.17A1?D1?0.4
L可选用电感量为200~500μH且通过4.5A以上电流不会饱和的电感器。电感的
设计包括磁芯材料、尺寸选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。而选用线径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温升。
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2013年全国大学生电子设计竞赛A题论文
