利用單片機實現(xiàn)有源功率因數(shù)校正(04-100)

　　在二極管整流橋BR1和升壓轉(zhuǎn)換器電路之間由一個電流傳感器相連。傳感器的輸出電壓VIL與升壓轉(zhuǎn)換器線圈中的電流成正比。

　　一個脈寬調(diào)制器(PWM)發(fā)生器發(fā)送脈沖到升壓變換器，后者生成與PWM脈沖同步的鋸齒波形。這一波形再送到PWM比較器的反向輸入端。比較器的非反向輸入端連接誤差放大器的輸出。誤差放大器通常包括環(huán)路補償功能。當斜坡上升的鋸齒波信號超過誤差放大器的輸出電壓時，中止PWM脈沖。這樣，PWM的占空比將根據(jù)誤差放大器的電壓而變化。

　　通過測量電流傳感器輸出和來自數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的目標電壓間的差別，誤差放大器控制著電流環(huán)。如果輸出電流太低，將使誤差信號變大，引起PWM占空比增加。因此，線圈電流增加，從而使電流傳感器輸出接近目標電壓。相反，如果輸出電流太高，誤差信號和PWM占空比將減小，從而使輸出電流下降。這一過程使得誤差放大器、PWM比較器、PWM發(fā)生器和升壓變壓器對于二極管整流橋BR1就像一個電壓可編程的電流源。由于誤差放大器控制著線圈平均電流，從而也控制著升壓轉(zhuǎn)換器輸入電流，因此這種控制環(huán)在電源行業(yè)通常被稱為平均電流控制。

　　DAC作為可編程分壓計將輸入到其參考電壓輸入端的整流交流波形按比例縮小。DAC的輸出電壓是整流后交流波形和輸入到DAC的數(shù)字碼的乘積。當數(shù)字碼增加時，DAC的比例系數(shù)也增加。DAC的這一乘法效應(yīng)對于APFC電路非常關(guān)鍵，因為升壓轉(zhuǎn)換器電流就是利用它來調(diào)整的。

　　由于DAC輸出用做驅(qū)動PWM比較器的目標電壓，因此升壓轉(zhuǎn)換器電流將與整流AC電壓波形一樣。理論上，在二極管整流橋BR1的輸入端，電流和電壓波形是完全一樣的，兩者完全同相，從而使功率因數(shù)等于1。然而，在實際電路中，由于各元器件的非線性，電流波形可能在接近過零點的地方有些失真并存在一些諧波失真。在低負載時，這些失真更為突出。當負載增加時，波形的失真與電流幅值相比通常很小，因此對于總體的功率因數(shù)數(shù)值沒有明顯的影響。

　　為控制APFC輸出電壓，本例中的單片機利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)讀取APFC輸出電壓VOUT，計算誤差并執(zhí)行比例積分微分(PID)算法。然后，PID計算的結(jié)果被寫入DAC。例如，如果輸出電壓與預期相比太低，那么PID計算結(jié)果將變大，從而使DAC比例因數(shù)也變大。這一效應(yīng)將導致升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流增加。因此，輸出電壓VOUT也將增加，從而使電壓誤差變小。

　　單片機選擇

　　本例中選用的PIC16C782 8位單片機是第一個提供了合適的混合信號外設(shè)的單片機產(chǎn)品之一，從而可在硬件中實現(xiàn)PWM閉環(huán)控制。不久將推出的PICmicro單片機還將提供增強型捕捉/比較/PWM(ECCP)外設(shè)，可以與模擬比較器配合實現(xiàn)實時硬件閉環(huán)控制。

　　測試數(shù)據(jù)

　　在實驗室中，對APFC原型電路在420W和130W兩種負載條件下進行了測試，測量得到的功率因數(shù)分別為0.996和0.963。

　　兩種負載條件下的電壓和電流波形圖見圖2和圖3。在電流波形中，顯示出少量噪聲，但不影響APFC工作。通過一些額外的設(shè)計考慮可以消除這一噪聲。