一种高功率因数数字可调式直流电压源的设计

董浩然

摘 要：本文介绍一种高功率因数数字可调式直流电压源的设计方案，该装置不仅可以作为直流电压源用于检定，而且可以通过改动部分电路及器件成为一个功能模块，应用到其他仪器的设计中去，使该装置得到更广泛的应用。

关键词：高功率因数;数字可调;开关电源;直流电压源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.106

在我們目前使用的开关电源中，很多都是利用全桥电路对直流电压进行斩波，再通过数字器件控制各开关管的导通和关断，从而控制生成的电压。例如：笔记本电脑电源适配器的设计原理就是应用开关管的导通和关断来实现对输出电压的控制的。其充电的工作过程如下：220v 交流输入电压经桥式整流电路整流、滤波后得到约 300v 的直流电压，该电压一路经开关变压器后加至场效应开关管D 极，另一路经降压后得到的启动电压给PWM芯片供电，使其内部振荡器起振，输出调宽脉冲电压（PWM） ，驱动开关管，使其工作在开关状态。在此工作过程中，要求该电压源要稳定，而且开关电路的设计要达到要求。

1 硬件设计

（1）随着电子器件制造技术的飞速发展，相应的功率因数校正芯片、BUCK降压芯片、光耦、数字定时计数芯片和直流电压源的制作技术都有了很大的提高，这样就给文中一种高功率因数数字可调式直流电压源的设计提供了优良的知识储备与硬件条件。下面介绍由UCC28019、XD308H、线性光耦EL305X、OP07和依靠555定时器进行PWM控制输出设计而成的一种高功率因数数字可调式直流电压源。其原理框图如图1所示：

该装置的PFC-boost部分选用数字芯片UCC28019，该芯片无需进行编程，由于其功率因数校正能力较强，所以选用该器件不仅满足高功率因数电源的设计需要，还简化了硬件电路设计。由于该电压源设计方案的要求是数字型，故而减少了在模拟器件上不必要的功率损耗。该设计方案中光耦隔离传压部分选用国产的线性光耦EL305X，其控制芯片选用于1971年由西格尼蒂克公司推出的555定时器，由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性，直至今日仍被广泛应用于电子电路的设计中。UCC28019芯片、光耦EL305X及555定时器的电源电压均由芯片XD308H及其外围电路经过降压得到。由于一些芯片的电源特殊性，在进行设计时有时需要利用OP07进行电流消耗。

（2）装置方案的工作过程。该装置方案的工作过程如下：220V交流市电经过整流电路输出约为400V的直流电压，再将生成的400V电压作为XD308H及UCC28019的3、4脚的电压输入，XD308H及其外围电路将400V电压转换为低压12V作为UCC28019芯片及555定时器的电源输入，UCC28019及其外围电路部分的输出电压为400V，其输出端连接一电压互感器，对输出电压进行实时检测。其中光耦EL305X的隔离端与400V直流电压相连，通过调节555定时器引脚上串联的电容和电阻的值改变该芯片及其外围电路输出方波的占空比从而控制光耦的通断，进而对整个电路的输出电压进行调节。

（3）在硬件电路设计调试时应注意的问题：

1）整流部分的输入必须并联一适合的压敏电阻作为电路的过压保护，除此之外还要串联一个保险丝用来抑制不正常的输入电流，对可能的尖锋电压起到双重保护。

2）整流部分的整流桥要选用快速二极管，解决普通二极管在开关过程中的开关延时以及对电路造成的谐波干扰，进一步提高该电压源设计方案的功率因数。

所选快速二极管*RU2构成的整流桥放大倍数为1.818，耐压600V，满足实际电路需求。电路平均电流约为0.5A。相应计算如下：

400v÷220v≈1.818

220√2 v×1.5=466.690v<600v

0.5A×1.5=0.75A

3）BUCK芯片选用XD308H，其外围电路简单、BOM成本低（外围元件数目极少：无需变压器、无需光耦），使生产制作的电源体积较小、无音频噪音、损耗小、发热低。

4）对于强电的电压变换，电网电压和变换后的电压都可能会对电路带来干扰，本设计方案选用工作在CCM模式下的PFC芯片进行功率因数校正。

5）根据笔者的使用经验，在对UCC28019的操作中应注意以下几个问题：

①注意VINS脚的分压电阻。

②若印刷板空间许可，可在UCC28019的SENSE和VINS脚与需要变换的电压之间加入光电隔离。这样虽然增加了元器件，使电路的复杂性增加，但可使UCC28019的工作更加稳定与安全。

③在满足所有技术要求的前提下，应尽量降低电路的复杂性提高安全性，使电路更加稳定与安全。同时印刷板应采取良好的抗干扰措施，在电路纹波或其他干扰比较严重时，要注意检查电路的各个部分，比如UCC28019的VINS脚的分压电阻，查找官网上芯片的设计excel表检查电路参数设置，以保证电路的可靠运行。

④由于UCC28019参与的PFC-boost部分使用了数字地和模拟地，则模拟地和数字地应单点接地，避免地线引入干扰。

2 技术指标

为了考察该装置的稳定性，将电路的电源输入接入220V交流市电，在光耦满占空比时，该电源应有的输出为400V，由于电路损失，其最大输出实际应在400V附近。

3 结束语

该装置的设计方案不仅可以作为直流电压源直接使用，而且可通过改动部分电路，使之成为一个功能模块应用到其他仪器电路中。

参考文献：

[1]陈迪亮.双闭环控制精密直流信号源的研究与设计[D].苏州大学，2015.

[2]刘润.基于STM32精密程控电压源系统的研究与设计[D].苏州大学，2013.