基于MSP430的高功率因數(shù)電源

在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分轉(zhuǎn)換為有功功率，從而提高電能輸送的效率。提高功率因數(shù)必須從相位校正技術(shù)和諧波消除技術(shù)兩個(gè)方面考慮，無功分量基本上為高次諧波，諧波電流在輸電線路阻抗上的壓降會(huì)使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，影響供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，諧波會(huì)增加電網(wǎng)電路的損耗。解決用電設(shè)備諧波污染的主要途徑有兩種：

一是增設(shè)電網(wǎng)補(bǔ)償設(shè)備（有源濾波器和無源濾波器）以補(bǔ)償電力電子設(shè)備、裝置產(chǎn)生的諧波；二是改進(jìn)電力電子裝置本身，使之不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的諧波，如采用功率因數(shù)校正技術(shù)。兩者相比較前者是消極的方法，即在裝置產(chǎn)生諧波后，進(jìn)行集中補(bǔ)償；后者是積極的方法，也是諧波抑制的重要方法。減小諧波污染、提高功率因數(shù)，對(duì)于提高電網(wǎng)電質(zhì)量和用電效率、緩解我國(guó)的能源短缺問題等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本系統(tǒng)基于MSP430 的高功率因數(shù)電源對(duì)功率因數(shù)校正進(jìn)行了一定的研究，MSP430 是低功耗單片機(jī)，將低功耗單片機(jī)與功率因數(shù)校正相結(jié)合具有深層次的研發(fā)意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方框圖

系統(tǒng)主要包括整流、功率因數(shù)校正、Boost 升壓等幾個(gè)部分。電源變壓器將較高的市電電壓降低到符合整流電路所需要的交流電壓，經(jīng)整流電路后得到直流電。將得到的直流電送入Boost 升壓電路進(jìn)行升壓，Boost 電路的輸出電壓極性與輸入電壓極性相同，但總高于輸入電壓，輸入電流連續(xù)、輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)，輸出阻抗非常低，通過控制開關(guān)管通斷的占空比來控制輸出電壓。PFC 控制部分采用有源PFC（也稱主動(dòng)式PFC） 功率因數(shù)校正可以實(shí)現(xiàn)高輸入功率因數(shù)和低輸入電流諧波含量，并且開關(guān)管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力都比較小。電壓適應(yīng)范圍寬，功率因數(shù)高。本系統(tǒng)采用兩級(jí)PFC 技術(shù)，即在整流濾波和DC/DC 功率級(jí)之間加入有源PFC電路為前置級(jí)，用于調(diào)高功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)DC/DC 級(jí)輸入的預(yù)穩(wěn)，該技術(shù)一般用于大功率輸出場(chǎng)合。

MSP430 作為控制和運(yùn)算核心，它具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快、資源豐富、開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。MSP430 系列單片機(jī)是16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供單片解決方案。

MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用1.8~3.6 V 低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1 μA,活動(dòng)模式耗電250 μA/MIPS（MIPS: 每秒百萬條指令數(shù)），I/O 輸入端口的漏電流最大僅50 nA, 遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)（一般為1~10 μA），MSP430系列單片機(jī)堪稱目前世界上功耗最低的單片機(jī)，其應(yīng)用系統(tǒng)可以做到用一枚電池使用10 年。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方框圖

2 主要功能電路設(shè)計(jì)

2.1 隔離變壓器部分

本系統(tǒng)中要做好隔離變壓器本身接地的回路，變壓器會(huì)產(chǎn)生漏磁及電磁干擾，如果沒有配置好接地線路，即使做再多的隔離效果也是有限的。把隔離變壓器用在交流電源輸入端時(shí)，若電網(wǎng)3 次諧波和干擾信號(hào)比較嚴(yán)重，可以去掉3 次諧波和減少干擾信號(hào)， 采用隔離變壓器可以產(chǎn)生新的中性線，避免由于電網(wǎng)中性線不良造成設(shè)備運(yùn)行不正常，非線性負(fù)載引起的電流波形畸變可被隔離而不污染電網(wǎng)。

2.2 功率因數(shù)校正控制電路及數(shù)字設(shè)定電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用CCM 模式PFC 控制器UCC28019 實(shí)現(xiàn)最終的功率因數(shù)校正，CCM 的輸入電流畸變很小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，不會(huì)有很高的峰值電流。該芯片通過雙閉環(huán)控制：電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)。電流內(nèi)環(huán)的作用是控制網(wǎng)側(cè)輸入電流的波形和相位；電壓外環(huán)的作用是控制輸入電流的幅度，以使輸出直流電壓在各種擾動(dòng)下保持期望值。該控制系統(tǒng)具有許多系統(tǒng)級(jí)的保護(hù)功能，主要包括峰值電流限制、軟過流保護(hù)、開環(huán)檢測(cè)、輸入掉電保護(hù)、輸出欠壓過壓保護(hù)、軟啟動(dòng)等功能。由芯片UCC28019 工作原理知其輸出PWM 波形占空比是根據(jù)電壓環(huán)路的反饋電壓輸入到Vsense 腳與芯片內(nèi)部+5 V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較， 經(jīng)差分放大后改變PWM 斜率。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)Vsense 腳的電壓為5 V.電阻R7、R8分壓，通過控制D/A 的輸出來控制UCC28019 的Vsense 腳電壓， 進(jìn)而控制最終的輸出，即數(shù)字設(shè)定輸出。D/A 轉(zhuǎn)換器采用16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX541。

1）電感電流檢測(cè)電阻的選取

在電感電流超過最大值電流25%時(shí)，ISENSE 腳電壓達(dá)到軟過流保護(hù)閥值的最小值，RSENSE將觸發(fā)軟過流保護(hù)。RSENSE應(yīng)滿足如下條件：

其中VSOC（min）=0.66 V。I L_PEAK（max）為最大峰值電流。

此外，為保護(hù)芯片免受沖擊電流的沖擊，在ISENSE 腳處串聯(lián)一個(gè)阻值為的220 Ω 電阻（如圖2 中的R1）。

2）輸入濾波電容的選取

在允許有20%的電感電流紋波IRIPPLE和6%的高頻電壓紋波U IN_PIPPLE的情況下，輸入濾波電容的最大值Cin由輸入電流紋波IRIPPLE和輸入電壓紋波U IN_RIPPLE（max）決定。輸入濾波電容的值可通過以下公式計(jì)算：

、

其中fsw =65 K，ΔI RIPPLE =0.2，IRIPPLE =ΔIRIPPLE I IN_PEAK （max），ΔV IN_RIPPLE =0.06,V IN_RECTIFED （max） = √2 V IN （max） ，V IN_RIPPLE （max） =ΔVIN_RIPPLE V IN_RECTIFED（max）

3）升壓電感的選取。

升壓電感的最小值根據(jù)最壞的情況（占空比D 為0.5）計(jì)算得出：

系統(tǒng)主回路如圖2 所示。

圖2 主回路