TMS320LF2407A DSP的PFC級電路的原理與設計

1、引言

　　帶A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）和脈沖寬度調(diào)制器（PWM）等集成外設的低成本高性能數(shù)字信號處理器（DSP），已在電機控制、不間斷電源（UPS）和運動控制等領域獲得比較廣泛的應用。低成本DSP在控制電源變換功能方面，為電源設計者提供了新的工具。

　　與傳統(tǒng)模擬控制比較，DSP控制器具有許多突出的優(yōu)點，例如多平臺標準硬件設計、對老化和環(huán)境變化的低敏感度、優(yōu)異的抗噪擾性、易于履行高級控制算法、設計變更的靈活性及控制和通信功能的單芯片解決等。然而，在電源設計中使用DSP，對許多模擬設計者來說面臨新的挑戰(zhàn)，他們必須盡力改變設計，以適應新的數(shù)字環(huán)境。

　　本文以由德州儀器TMS320LF2407A 16位定點DSP控制的平均電流型功率因數(shù)校正（PFC）升壓變換器為例，來說明與傳統(tǒng)模擬設計方案存在的不同。在模擬控制領域不同的控制環(huán)路參數(shù)，必須重新定義到它們的數(shù)字履行上，然后進行環(huán)路分析，并給出要求的電壓和電流環(huán)路補償器，最后介紹這些補償器的分立化及它們在軟件中的執(zhí)行。通過PFC級數(shù)字控制器設計為例，可以識別模擬與數(shù)字控制之間的基本區(qū)別。

　　2、TMS320LF2407A控制的PFC級電路

　　圖1所示為由TMS320LF2407A控制的PFC級電路。該拓撲是一種AC-DC升壓變換器，為履行控制算法（algorithm），需要三個信號，即整流的輸入電壓Vin、電感器電流Iin和DC總線（輸出電容Co）電壓V。

圖1 TMS320LF2407A控制的PFC級電路

　　變換器由兩個反饋環(huán)路控制：平均輸出電壓由較慢響應的外環(huán)調(diào)節(jié)，而整形輸入電流的內(nèi)環(huán)響應速度比外環(huán)快得多。瞬時信號Vin、Iin和Vo通過各自的電壓和電流感測電路被檢測，檢測信號經(jīng)三個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）信道反饋到DSP。這三個ADC通道分別是ADC/NO、ADCIN1和ADCIN2。這些信號的速率利用ADC控制環(huán)路的采樣頻率fs感測和轉(zhuǎn)換。數(shù)字化感測的總線（bus）電壓Vo與期望的參考總線電壓Vref相比較，爾后將差分信號（Vref-Vo）饋入到電壓環(huán)路控制器Gvea。數(shù)字化控制器Gvea的輸出“B”與其它兩個信號“A”和“C”相乘，為內(nèi)部電流環(huán)路產(chǎn)生參考電流命令。在圖1中，“A”代表感測的數(shù)字瞬時信號Vin。“C”可由下式確定：

　　式中，Vdc是計算的感測數(shù)字化信號Vin的平均成分。在圖1中的Iref是內(nèi)部電流環(huán)路的參考電流命令，Iref具有經(jīng)整流的正弦波形狀，其幅度對于負載和AC線路電壓的變化足以保持輸出電壓在一個參考電平Vref上。感測的數(shù)字化電感電流Iin與參考電流Iref進行比較，Iref與Iin之差值進入電流控制器Gca。Gca的輸出最后為PFC開關產(chǎn)生PWM占空比命令。

　　3、PFC級數(shù)字控制器設計

　　圖1所示的DSP控制的PFC變換器控制環(huán)路框圖如圖2所示。圖中，Kf、Ks和Kd增益塊替代了先前各自的電壓和電流感測與調(diào)節(jié)電路。乘法器增益Km也加進控制單元中。Km允許參考信號Iref根據(jù)變換器輸入工作電壓范圍進行調(diào)節(jié)。內(nèi)部電流環(huán)路利用Iref來編程，電流環(huán)路功率級輸入占空比命令是電感電流Iin。電流控制器Gca產(chǎn)生適當?shù)目刂戚敵鯱ca，致使Iin跟隨Iref。電壓控制器Gvea輸出Unv輸入到電壓環(huán)路功率級，其輸出是總線電壓Vo。Gvea產(chǎn)生適當?shù)腢nv控制Iref的幅值，使Vo保持在參考電平上。德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A是一種16位定點（fixed-point）DSP控制器，被用作控制通用輸入（85~265Vac）平均電流模式PFC預變換器。

圖2 TMS320LF2407A控制的PFC級控制環(huán)路框圖

　　3.1 電壓與電流感測增益

　　輸入電壓Vin和輸入電流Iin分別表示為
　　Vin=Vm Sin2wt 0≤Vm≤Vmax
　　Iin=Im sin2wt 0≤Im≤Imax
　　式中：Vmax為峰值幅度Vm最大值，V；Imax為峰值幅度Im的最大值，A。

　　基于DSP的PFC變換器信號通過芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器感測。為使這些信號進入A/D轉(zhuǎn)換器的范圍之內(nèi)，利用適當?shù)耐獠空{(diào)節(jié)電路加至每個通道。用戶軟件讀出變換的信號，即數(shù)字化信號。從ADC結(jié)果寄存器讀出的數(shù)字化信號，用適當?shù)亩c格式保存在臨時存儲器單元。數(shù)字化信號用有限的字長被表示為數(shù)值。在16位DSP中，最低位（LSB）用作表示信號的尾數(shù)，最高位（MSB）用作代表其符號。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，需要選擇信號的范圍，然后在定點表示的整個范圍之內(nèi)標記變化結(jié)果的全部范圍。對于TMS320LF2407A DSP，正向信號的范圍是從0到32767。一旦這個映像完成，下一步則是為這些數(shù)字化信號選擇適當?shù)亩c算法計數(shù)法。對于16位DSP，利用Q15計數(shù)法作為這些信號的定點表示是有利的。用這種表示方法，數(shù)值在0~32767范圍之內(nèi)，表示絕對值在0與1之間。用Q15計數(shù)法，電壓和電流相對于它們的最大值作為規(guī)格化的每單位（pu）數(shù)值被自動保存。

　　在圖2中，前饋電壓感測增益Kf、電流感測增益Ks和PFC輸出直流總線電壓感測增益Kd分別表示為：
Kf=1/Vmax
　　Ks=1/Imax
　　Kd=1/Vo(max)
　　式中，Vmax為整流的輸入電壓Vin最大允許幅值，V；Imax為輸入電流Iin的最大允許幅值，A；Vo(max)為直流總線電壓最大允許值，V。