開關(guān)電源功率因數(shù)校正的DSP實現(xiàn)

摘要：介紹了用TI公司的TMS320LF2407A實現(xiàn)開關(guān)電源功率因數(shù)調(diào)整（PFC）的原理，算法以及較為詳細(xì)的實現(xiàn)步驟，最后給出了實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；功率因數(shù)校正；開關(guān)電源

A DSP Solution for Power Factor Correction of Switching Power Supply

LI Bing, LIN Guo-shu

Abstract:A DSP based solution for power factor correction of switching power supply is introduced.The principle, algorithm and detailed implementation are discussed . At last, experiment results are provided.

Keywords:DSP; Power factor correction(PFC); Switching power supply

1 引言

隨著對高功率因數(shù)的變換器的需求不斷增長，功率因數(shù)為1（unity power factor）的電源供給越來越受到歡迎。在計算機或其它一些設(shè)備上，電源要求魯棒性好、可靠、抗干擾能力強。而數(shù)字控制正提供了這方面的保障。

和傳統(tǒng)模擬控制器相比，數(shù)字控制器具有以下這些優(yōu)點:可以實現(xiàn)非線性的精細(xì)的控制算法，減少元器件數(shù)量,提高可靠性,不易老化,很小的控制偏差和熱漂移。但同時,數(shù)字控制也意味著相對較高的費用和一定的控制帶寬限制。過去,這些不足在很大程度上限制了數(shù)字控制在電源方面的應(yīng)用。而現(xiàn)在，由于高效廉價的DSP的出現(xiàn)，數(shù)字控制不僅在交流驅(qū)動（ACdrives）和三相變換方面應(yīng)用越來越廣泛，而且在DC/DC變換領(lǐng)域也成為一種可行方案。本文將討論DSP在單相開關(guān)電源功率因數(shù)校正方面的應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)的模擬PFC電路簡介

模擬PFC電路已經(jīng)有了多年的應(yīng)用，并且推出了一些商用的IC芯片，例如TI公司的UC3854等。

圖1所示的就是功率因數(shù)校正的基本原理。PFC控制電路主要由電壓誤差放大器、電流誤差放大器、乘法器和PWM驅(qū)動組成。控制的目標(biāo)是使輸入電流緊跟輸入電壓的變化，并使輸出紋波盡可能地小。為了使輸入電流跟隨輸入電壓變化，控制電路對輸入電壓采樣，采樣信號作為乘法器的一個輸入；為了保持輸入電壓穩(wěn)定，輸出電壓經(jīng)分壓、比較和誤差放大后作為乘法器的另一個輸入,于是乘法器的輸出具有輸入電壓的形狀，且其幅度由輸出電壓控制。乘法器的輸出作為輸入電流的基準(zhǔn)信號。采樣輸入電流，和這個基準(zhǔn)比較，經(jīng)誤差放大后輸入PWM比較器，PWM輸出驅(qū)動波形控制變換器工作。閉環(huán)反饋控制的結(jié)果使輸入電流的平均值與輸入電壓成正比，從而達(dá)到較高的功率因數(shù)。

圖1 功率因數(shù)校正原理

PFC變換器的輸出中含有二次諧波的紋波電壓，

|ΔVo(t)|= （1）

這與變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式無關(guān)。如果要通過電壓回路消除輸出電壓的紋波，就必然會損壞輸入電流的波形，從而降低功率因數(shù)。而引入模擬濾波電路

的話，又會引入不良的相位影響,而且由于模擬元件參數(shù)離散性大、易老化和熱漂移等因素，很難實現(xiàn)精確的濾波。所以對于50Hz的工頻輸入，電壓回路的帶寬一般都只選在10～20Hz。

3 數(shù)字控制的PFC模型

如圖2所示是Boost電路PFC的數(shù)字化模型。該模型的控制原理與前面所述的模擬電路是一致的。區(qū)別就是用兩個數(shù)字的比例積分控制器（PI）Ki、Kv代替了原來的兩個誤差放大器。另外，在電壓PI的輸出端加了一個陷波濾波器，濾波頻率為100Hz。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波可以很好地減少100Hz的諧波成分，同時引入的相位影響卻要小得多。

圖2 數(shù)字控制的PFC模型

這樣，就可以提高電壓回路的帶寬，繼而提高電路的反應(yīng)速度。

如圖2所示，三個信號被采樣，分別是輸出電壓Vo，輸入電流Is，輸入電壓Vi′。其中值得注意的一點是，我們可以編程實現(xiàn)總是在開關(guān)閉合的中間時間對Is采樣，從而不需要另加低通濾波就可以獲得Is的平均值。

接下來我們分別建立PI控制器和陷波濾波器的數(shù)字模型。PI控制算法的模擬表達(dá)式為

V(t)=Kp （2）

對式（2）進(jìn)行離散化處理，得到

V(n)=Kp[e(n)－e(n－1)]＋Ki·e(n)＋V(n－1) (3)

式中：Kp為比例系數(shù)；

Ki=Kp為積分系數(shù)，T為采樣周期，Ti為積分時間常數(shù)。

PI系數(shù)的整定常常通過實驗來確定，或通過湊試，或者通過經(jīng)驗公式來確定。這方面的內(nèi)容一般的計算機控制系統(tǒng)類的書上都有介紹。

陷波濾波器的設(shè)計可參照公式(4)

（4）