一種高功率因數(shù)電源的設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言

隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，要求電子元器件的供電電源越來越苛刻。一般元器件供電都是直接從市電中獲得，但由于電網(wǎng)的輸入阻抗呈容性，而大量整流電路造成電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)輸入電壓與輸入電流間存在較大相位差，輸入電流呈脈沖狀，諧波分量很高，嚴(yán)重干擾電力系統(tǒng)。據(jù)了解現(xiàn)階段一般電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約為0．65，因此，高效率利用能源，提高電源功率因數(shù)已刻不容緩。

現(xiàn)階段功率因數(shù)校正PFC(Power Factor Correction)分為主動式與被動式兩種。被動式PFC結(jié)構(gòu)簡單，主要是利用電感線圈內(nèi)部電流不能突變的原理調(diào)節(jié)電路中的電壓與電流相位差，從而改變功率因數(shù)，但其結(jié)構(gòu)笨重，易產(chǎn)生低頻噪聲且最大功率因數(shù)只能在70％。主動式PFC一般為有源功率因數(shù)調(diào)整，可簡單歸納為升壓型開關(guān)電源電路，具有體積小，輸入電壓寬以及功率因數(shù)高等優(yōu)點，功率因數(shù)可接近100％。

2 高功率因數(shù)電源設(shè)計方案

2．1 功率因數(shù)監(jiān)測

該設(shè)計采用相位差測量法，即分別對變壓器副邊檢測的電壓、電流信號先經(jīng)比較器整形，然后通過計算得到電壓電流的相位差，再進行余弦運算，即可得到系統(tǒng)的功率因數(shù)。負載端輸出電壓、電流經(jīng)采樣得到系統(tǒng)視在功率。根據(jù)P=S×cosQ=S2-P2(Q表示無功功率)計算電源的有功功率、無功功率等參數(shù)。該方法易于操作，而且通過等精度法測相，可達到很高精度，從而能很好滿足系統(tǒng)要求。

2．2 功率因數(shù)校正

該系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正，可改善電源輸入功率因數(shù)，減小輸入電流諧波。其主要實現(xiàn)方式有2 種：(1)兩級PFC技術(shù)，即在整流濾波和DC／DC功率級之間加入有源PFC電路為前置級，用于提高功率因數(shù)和實現(xiàn)DC／DC級輸入的預(yù)穩(wěn)，該技術(shù)一般用于較大功率輸出場合；(2)單級PFC技術(shù)，即將PFC級與DC／DC級中的元件共用，實現(xiàn)統(tǒng)一控制，通常共用器件為MOSFET。該方式設(shè)計與優(yōu)化尤為重要，適用于小功率應(yīng)用。

有源功率因數(shù)校正的控制方式又可根據(jù)電感電流是否連續(xù)分為平均電流型控制、CCM／DCM邊界控制和電流箝位控制模式。其中CCM／DCM邊界控制 Boost PFC是一種滯后控制技術(shù)，其上限為正弦基準(zhǔn)電流，由輸出檢測信號經(jīng)誤差放大后與輸入全波電壓檢測信號相乘得到，下限為零。具體工作過程為：檢測電感電流并與正弦電流基準(zhǔn)信號相比較，當(dāng)電感電流達到該基準(zhǔn)時，關(guān)斷開關(guān)：當(dāng)電感電流為零則再次導(dǎo)通，使電感電流為臨界電流工作狀態(tài)。即CCM／DCM邊界，可消除二極管的反向恢復(fù)損耗，大大減小主開關(guān)的非零電壓導(dǎo)通損耗。該技術(shù)優(yōu)點是控制簡單，使用專用器件的外圍元件數(shù)量少。運用Boost電路的PFC，在 CCM模式下輸入電流畸變小且易于濾波，開關(guān)管的電流應(yīng)力也小，可以處理較大的功率并保持較高的效率。

這里選用CCM模式PFC控制器UCC28019實現(xiàn)最終的功率因數(shù)校正。該器件采用軟啟動機制，動態(tài)響應(yīng)良好，結(jié)合外圍電路可實現(xiàn)輸入欠壓保護，開環(huán)保護，輸出過壓保護，軟過流控制(SOC)和峰值電流限制等功能。系統(tǒng)輸出電壓由該器件VSENSE引腳所接分壓電阻與其內(nèi)部+5 V的基準(zhǔn)決定。由公式可得，通過調(diào)節(jié)分壓電阻的比率實現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字可調(diào)。

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

該系統(tǒng)采用MSP430F449為控制和運算核心，通過等精度測相法測量出系統(tǒng)的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正則以UCC28019為核心，利用硬件電路形成閉環(huán)反饋電路，實時監(jiān)測輸出電壓、電流。單片機提供過流保護來控制繼電器以及采樣和顯示電壓電流。利用鍵盤選擇各種功能。LCD實時顯示各操作數(shù)據(jù)，人機界面友好。圖1為系統(tǒng)整體框圖。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

4．1 功率因數(shù)測量電路

變壓器副邊處通過電流互感器和電壓互感器取樣交流信號，然后經(jīng)雙路比較器LM393整形后利用等精度法測量相位差，得到系統(tǒng)功率因數(shù)。LM393的整形電路如圖2所示。